基于FPGA和USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

王水魚,陳 璐

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

隨著火炮技術(shù)的高速發(fā)展，新型多高管射自動火炮的不斷涌現(xiàn)，以前的測試系統(tǒng)不能滿足精確測量的要求。為了適應(yīng)研制和生產(chǎn)的需要，測試系統(tǒng)應(yīng)當具備一定的彈性，易于根據(jù)需要靈活組建。因此，需要一種通用、便攜、數(shù)據(jù)采集精度高、同步性好、易于使用的設(shè)備。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度慢、處理功能簡單、采用分立元件、電路非常復(fù)雜，而且可靠性差、不易調(diào)試、不能良好地滿足特殊要求。針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的不足，提出一種基于USB和FPGA技術(shù)的多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]。首先,本系統(tǒng)既能與計算機連接進行實時數(shù)據(jù)采集，也能用NAND Flash存儲采集數(shù)據(jù)進行非實時數(shù)據(jù)采集；另外，它將FPGA和USB技術(shù)應(yīng)用于火炮動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，為提高測量精度，組建靈活測試系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。同時，該數(shù)據(jù)采集電路模塊還可以用在其他測試系統(tǒng)，對于民用及工業(yè)等方面也有實際意義[1-3]。

1 系統(tǒng)的組成及原理

系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示。

2 FPGA單元功能模塊設(shè)計

FPGA選用Altera公司的Cyclone系列芯片EP1C12,系統(tǒng)設(shè)計模塊圖如圖2所示。

2.1 分頻模塊的設(shè)計

分頻模塊是將外部時鐘進行分頻設(shè)定，得到系統(tǒng)內(nèi)部AD控制模塊和存儲模塊所需要的時鐘，并為AD芯片提供時鐘信號基準。此模塊采用VHDL語言編程實現(xiàn)，其4分頻時序仿真圖如圖3。分頻模塊的外部時鐘輸入頻率為20 MHz，產(chǎn)生的時鐘頻率為5 MHz。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換控制模塊

A/D數(shù)據(jù)接口控制模塊實現(xiàn)對ADS8364數(shù)據(jù)的采樣。ADS8364是TI公司的一款高速、低功耗、六路模擬輸入、16位并行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。六路模擬輸入分為三組（A、B和C），每個輸入端都有一個保持信號來實現(xiàn)所有通道的同時采樣與轉(zhuǎn)換功能，適合于多路采集系統(tǒng)的需要。本模塊對ADS8364的控制引腳有：模擬采樣通道控制信號/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC；數(shù)據(jù)輸出模式以及通道選擇信號 A0、A1和A2；讀控制信號/RD；使用5 MHz時鐘驅(qū)動一個20個狀態(tài)的狀態(tài)機（模為20的計數(shù)器）。在計數(shù)值為 15時將 HOLDA、HOLDB、HOLDC置0啟動一次數(shù)據(jù)采樣。在計數(shù)值為 2-3、4-5、6-7、8-9、10-11、12-13且相應(yīng)通道得到使能時，分別發(fā)出通道1到通道 6 的通道地址。 在 3、5、7、9、11、13 發(fā)出讀信號讀取相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)。在計數(shù)為15時發(fā)出采樣完畢信號，指示六通道數(shù)據(jù)已經(jīng)采集完畢。AD采樣控制時序如圖4所示。

2.3 SRAM乒乓緩存模塊

乒乓控制模塊部分，按照功能將其分為4個轉(zhuǎn)換狀態(tài) S0、S1、S2、S3。其中狀態(tài) S0為初始化狀態(tài),狀態(tài) S1負責(zé)對 SRAM0寫數(shù)據(jù)，狀態(tài) S2負責(zé)對 SRAM1寫數(shù)據(jù)，從SRAM0讀數(shù)據(jù),狀態(tài)S3負責(zé)對SRAM0寫數(shù)據(jù)，從SRAM1讀數(shù)據(jù)。圖5和圖6分別是乒乓控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和乒乓操作時序仿真結(jié)果圖。

2.4 Flash控制模塊

系統(tǒng)選用三星（SAMSUNG）公司的 NAND Flash芯片K9F2G08，F(xiàn)lash控制器的主要功能是響應(yīng)PC機命令，根據(jù)命令產(chǎn)生相應(yīng)的時序?qū)崿F(xiàn)對Flash的操作。完成的操作有：(1)擦除操作：即對Flash進行格式化。(2)寫操作：Flash控制器判斷PC機的寫命令，當PC機發(fā)出寫命令時，F(xiàn)lash控制器執(zhí)行一次寫操作。(3)讀操作：Flash控制器PC機的讀命令，當PC機發(fā)出讀命令時，F(xiàn)lash控制器執(zhí)行一次讀操作。讀出的數(shù)據(jù)被送往USB。

2.5 數(shù)據(jù)控制模塊

數(shù)據(jù)控制模塊用于產(chǎn)生乒乓操作和Flash控制器的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，是乒乓操作模塊和Flash控制器的橋梁。實現(xiàn)乒乓操作至Flash控制器數(shù)據(jù)的正確轉(zhuǎn)移。同時數(shù)據(jù)控制模塊還負責(zé)從Flash控制器讀取數(shù)據(jù)，并送至USB用于總線交互。

2.6 USB控制模塊

USB接口芯片采用EZ-USBFX2 （CY7C68013），F(xiàn)X2作為USB2.0數(shù)據(jù)通道來實現(xiàn)與主機的高速通信。FPGA能夠滿足Slave FIFO要求的傳輸時序作為Slave FIFO主控制器。圖7是FX2的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

同步Slave FIFO寫時序如下：

IDLE：寫事件發(fā)生時，轉(zhuǎn)到狀態(tài) 1；狀態(tài) 1：指向 IN FIFO，激活 FIFOADR[1：0]，轉(zhuǎn)向狀態(tài) 2；狀態(tài) 2：如果 FIFO滿標志為 “假”（FIFO不滿），則轉(zhuǎn)向狀態(tài)3，否則停留在狀態(tài) 2；狀態(tài)3：傳送總線驅(qū)動數(shù)據(jù)，為 1個 IFCLK激活 SLWR，轉(zhuǎn)向狀態(tài) 4；狀態(tài) 4：如果有更多的數(shù)據(jù)要寫，則轉(zhuǎn)向狀態(tài)2，否則轉(zhuǎn)向IDLE。

3 USB芯片固件程序及驅(qū)動程序

3.1 FX2的固件程序設(shè)計

CY7C68013芯片固件程序負責(zé)處理PC機發(fā)來的各種USB請求，以完成主機與外圍電路間的數(shù)據(jù)傳輸。固件程序包括3個過程：(1)初始化,處理器和外圍電路的初始化；(2)主函數(shù),完成符合設(shè)備特定要求的代碼;(3)中斷處理,處理各種中斷的程序代碼。

Cypress公司的EZ-USB FX2開發(fā)套件提供給用戶1個固件函數(shù)庫(Ezusb.lib)和固件框架(Framework)，兩者均是基于KEIL C51開發(fā)的。固件函數(shù)庫提供了一系列函數(shù)來加速USB固件程序的開發(fā)，使用時只需在程序中包含EZUSB.H和EZREGS.H兩個頭文件，并在項目中鏈接Ezusb.lib，就可以直接使用固件庫中的各個函數(shù)，固件流程圖如圖8。

3.2 USB設(shè)備驅(qū)動程序

USB設(shè)備驅(qū)動程序的主要功能是使Win32應(yīng)用程序能正確訪問本數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)備。本設(shè)計中將CY7C68013的固件代碼存放在上位機上，當系統(tǒng)上電或USB連接時，再將其下載至芯片的RAM中，由增強型8051執(zhí)行。這一過程需要使用2個驅(qū)動程序：一個用于下載芯片的固件程序，另一個用于實現(xiàn)本數(shù)據(jù)采集卡的具體功能。也可以使用EZ-USB的通用驅(qū)動程序，很多USB芯片的廠商都為其USB芯片提供了通用驅(qū)動程序，可以滿足大部分系統(tǒng)的需求，用戶可在此基礎(chǔ)上直接進行固件程序的開發(fā)[4-6]。

4 主機應(yīng)用程序設(shè)計

應(yīng)用程序主要負責(zé)讀取系統(tǒng)硬件所輸出的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，并實時顯示波形，使用微軟的Visual C++6.0語言編寫Win32應(yīng)用程序，可根據(jù)具體應(yīng)用進行擴展。按照系統(tǒng)指標要求，應(yīng)用程序設(shè)計主要完成以下功能：設(shè)置采樣頻率、控制讀取數(shù)據(jù)通道、讀取數(shù)據(jù)、波形顯示等。人機界面原始圖和第二個通道接收到的數(shù)據(jù)顯示波形如圖 9。

該系統(tǒng)采用 USB2.0接口與計算機連接，利用FPGA完成系統(tǒng)控制。它既能與計算機連接進行實時數(shù)據(jù)采集，也能用NAND FLASH存儲采集數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)體積小、功耗低，特別適合環(huán)境比較復(fù)雜下的測試系統(tǒng)，使用靈活方便、適應(yīng)性強。

實驗表明，本設(shè)計可以很好地實現(xiàn)6通道同步采樣，其采樣頻率范圍 0.1 kHz～250 kHz，完成采樣精度16 bit的數(shù)據(jù)采集。

[1]邱春玲，張廣明，吳振翔.基于DSP和 FPGA的電梯智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計.計算機工程與設(shè)計,2009，30(7):1577-1579.

[2]范華,譚玉山.兩通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學(xué)報,1996(10):1-2.

[3]嚴雪萍.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計算機信息，2008(1-2)：209-211.

[4]CY7C68013 EZ-USB@FX2TM USB microcontroller highspeed USB peripheral controller.Cypress Semiconductor Corporation,2002.

[5]張惠娟.Windows環(huán)境下的設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計.西安.西安電子科技大學(xué)出版社,2002:19-20，102-103，253-300.

[6]薛園園.USB應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全[M].北京：人民郵電出版社，2007.