基于USB2.0與LabVIEW的高速數據采集系統設計

謝 勇，姚遠程，秦明偉

（西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010）

通用串行總線 （Universal Serial Bus，USB）是一個外部總線協議標準，用于規范電腦與外部設備的連接和通訊?；赨SB接口的數據采集卡具有熱插拔、傳輸速度快、通用性強、易擴展和性價比高等優點。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種基于圖形程序的虛擬儀器編程語言，在測試與測量、數據采集、儀器控制、數字信號分析等領域獲得了廣泛的應用。

文中介紹了一種基于USB2.0[1]和LabVIEW[2]的高速數據采集系統設計，詳細描述了系統硬件和軟件設計實現方案。

1 系統總體結構

本系統由軟件設計和硬件電路兩部分構成，系統總體結構如圖1所示。軟件設計主要包括上位機PC程序設計，其中底層驅動程序基于NI-VISA設計[3]，用戶應用程序由Lab VIEW開發，驅動程序的功能如同上位機應用程序和下位機硬件之間通信的橋梁。

硬件電路由FPGA、USB2.0控制器和ADC器件構成[4]。其中USB2.0控制器芯片采用Cypress公司的EZ-USB FX2芯片，FPGA芯片選用了Xilinx公司的Virtex-4系列的XC4VSX55，ADC器件采用AD公司的AD9430。USB2.0控制器部分負責FPGA與上位機PC間的雙向通信；FPGA部分作為系統的主控制器，負責接收并解析上位機PC傳遞的控制指令，同時FPGA將下位機采集的數據通過USB接口傳送到上位機PC處理；AD9430完成前端模擬信號的高速采集。

2 系統硬件設計

2.1 ADC采樣電路設計

AD9430是AD公司的一款12位單芯片采樣模數轉換器（ADC），專門針對高性能、低功耗和易用性進行了優化。AD9430的轉換速率最高可達210 MSPS，具有杰出的動態性能，適合寬帶載波和寬帶系統使用。芯片上集成了全部必需功能，包括采樣保持（T/H）與基準電壓源，可提供完整的信號轉換解決方案。AD9430要求采用3.3 V電源供電及差分ENCODE時鐘信號，以便充分發揮其工作性能。數字輸出為TTL/CMOS兼容或LVDS兼容，支持二進制補碼或偏移二進制格式。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Whole structure chart of system

本系統采用FPGA生成AD9430的采樣時鐘和工作模式寄存器的配置。前端模擬信號經過AD9430采樣量化為數字信號后送入FPGA內部生成的FIFO做緩存處理，避免了采樣數據率和USB接口傳輸數據率不匹配而發生數據丟失。FIFO的深度是由讀寫FIFO的時鐘以及所需連續傳輸數據塊的大小來決定的，本設計FIFO深度為1 024，數據總線位寬為16 bit。

2.2 USB接口電路設計

EZ-USB FX2有3種接口方式：Ports、slaveFIFO和GPIF。在本系統中采用的是slaveFIFO模式，在該模式下，FX2芯片內部FIFO能自動向USB提交包，外部控制器可以將數據連續傳輸到FIFO中，而不需要FX2固件程序的干預，較好地解決了USB高速模式的帶寬瓶頸問題。在slaveFIFO模式下，EZ-USB FX2與FPGA主控制器的接口電路如圖2所示。

其中IFCLK為接口時鐘，為了保持系統良好的時鐘同步性，設計中采用FPGA通過DCM分頻生成40 MHz時鐘。FLAGA-FLAGD為FIFO標志管腳，用于映射端點的空、滿；SLOE用于使能數據總線FD的輸出，當SLOE信號有效時，才能從FIFO讀數據；SLRD和SLWR分別作為FIFO的同步讀、寫選通信號，當SLRD或SLWR信號有效時，才能在IFCLK的驅動下讀寫FIFO；FD [15:0]為16位雙向數據總線，負責上下位機之間數據的傳輸；FIFOADR[1:0]用于選擇當前操作的端點緩沖區，其中“00”表示選擇 EP2，“10”表示選擇 EP6。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括USB固件程序、USB驅動程序、FPGA控制程序以及LabVIEW應用程序4個部分。

3.1 USB固件程序設計

USB固件程序開發主要包括如下幾個部分，首先定義USB設備的描述符：VID為0x04B4，PID為0x1002。然后設定EZ-USB FX2的工作模式為slaveFIFO模式，FIFO工作時鐘IFCLK由FPGA分頻產生；配置EP2為OUT端點，上位機指令通過OUT端點下傳給FPGA解析，配置EP6為IN端點，下位機采集的數據通過IN端點上傳到上位機PC，端點數據總線寬度為16 bit，數據緩沖區大小為2048字節；同時配置FLAGA為端口EP2空標志，配置FLAGC為端口EP6滿標志。Cypress公司為了簡化和加快用戶使用EZ-USB FX2芯片進行USB外設的開發過程，提供了一個完整的固件程序的框架[5-6]，本設計的主要固件程序如下：

3.2 USB驅動程序設計

USB設備的驅動程序是開發USB外設的一個關鍵，它在整個系統中處于上位機應用程序和USB固件程序之間。它的主要作用是使上位機操作系統能夠識別USB設備，并建立起上位機和下位機USB設備之間的通訊。

本設計通過配置NI-VISA直接開發USB驅動程序[7]，極大降低了設計難度和開發時間，同時設計的驅動程序可以實現下位機USB設備和上位機LabVIEW應用程序無縫連接。設計中采用了比較成熟的NI-VISA 5.0版本，配置NI-VISA的步驟如下：

1）使用Driver Development Wizard（驅動程序開發向導）創建INF文檔；

2）安裝INF文檔，并安裝使用INF文檔的USB設備；

3）使用NI-VISA Interactive Control（NI-VISA互動控制工具）對設備進行測試，以證實USB設備已正確安裝，并獲得USB設備的各屬性值。

3.3 FPGA控制程序設計

FPGA作為外部主控制器，負責產生EZ-USB FX2工作在slaveFIFO模式所需的控制信號。FPGA通過監測EZ-USB FX2內部FIFO的空滿標志，生成對應的讀寫信號來操作FIFO，實現采集數據的傳輸。

在slaveFIFO模式下，EZ-USB FX2有兩種傳輸方式：同步和異步。同步方式可以實現更高的傳輸速度，所以被本設計采用。在同步方式下，傳輸時鐘IFCLK由FPGA提供，當SLOE和SLRD為低電平且SLWR為高電平時，一個IFCLK周期完成一個數據的讀操作；當SLWR為低電平且SLOE和SLRD為高電平時，一個IFCLK周期完成一個數據的寫操作。USB接口芯片的控制信號由VHDL硬件描述語言開發并映射到FPGA中運行。FPGA讀、寫EZ－USB FX2內部FIFO的時序仿真結果分別如圖3、圖4所示。

圖2 FPGA與EZ-USB FX2連接圖Fig.2 Connection diagram of FPGA and EZ-USB FX2

圖3 FPGA讀FIFO仿真波形Fig.3 Simulation waveform of FPGA reading FIFO

圖4 FPGA寫FIFO仿真波形Fig.4 Simulation waveform of FPGA writing FIFO

3.4 基于LabVIEW的應用程序設計

在LabVIEW軟件平臺下，用戶利用創建和調用子程序的方法編寫程序，使創建的程序模塊化，程序結構簡單、直觀，易于調試和維護。而且應用程序的界面美觀、逼真，人機界面更友好。一個LabVIEW程序分為3部分:前面板、框圖程序和圖標/接線端口。前面板用于模擬真實儀器的前面板；框圖程序是利用圖形語言對前面板上的控件對象進行控制；圖標/接線端口用于把LabVIEW程序定義成一個子程序模塊，從而實現模塊化編程。

LabVIEW程序的程序框圖如圖5所示。整個應用程序的主框架使用了WHILE循環不斷的查詢主機狀態。設計中采用了LabVIEW的事件結構編程。事件驅動的編程允許用戶通過前面板的操作，或是其他的異步事件來驅動LabVIEW程序的運行。本設計中采用前面板的用戶按鈕操作作為事件驅動源。同時關閉程序也作為一個事件分支，避免了程序死鎖問題的發生。在“開始采集”事件中通過直接調用VISA函數子VI來讀寫USB設備，實現上位機控制指令的下傳和下位機采集數據的上傳。

LabVIEW程序主要工作流程：用戶在操作應用程序前面板界面時，點擊開始采集按鈕就會觸發程序的開始采集事件分支。在該分支中程序首先通過 “VISA打開”VI打開USB設備，然后通過“VISA寫入”VI將上位機十六進制的控制指令 “0101”通過USB接口發送到下位機，FPGA完成指令的接收和解析。下位機接收到采集指令后開始往EZUSB FX2芯片的FIFO中寫入采集的數據，上位機則通過“VISA讀取”VI開始接收下位機上傳的數據。采集到的數據通過“數據顯示”VI顯示在前面板，同時利用LabVIEW靈活的數據文件存儲方式，將采集到的數據存儲為二進制格式的文件保存起來以便后續處理。用戶完成采集過程后，關閉VISA，結束程序運行。

圖5 LabVIEW程序框圖Fig.5 Block diagram of LabVIEW program

4 系統測試

系統的硬件電路和軟件程序開發完成后，通過軟硬件聯合測試以驗證系統傳輸系能。測試步驟如下：首先通過NIVISA配置好EZ－USB FX2的驅動程序，用EZ－USB Control Panel軟件完成固件程序下載。如圖6前面板所示，上位機檢測到的USB設備的VID為0x04B4，PID為0x1002，這與在固件程序中的設定一致，說明通過NI－VISA完成了USB設備的驅動程序設計。USB設備和上位機PC正確連接后即可進行數據采集。然后在前面板設置采集長度為512字節，單擊“開始采集”按鈕，下位機采集的數據顯示在圖6中數據顯示VI中。采集的數據為十六進制數表示的0000～00FF，與下位機FPGA寫入USB芯片內部FIFO的數據完全一致，證明系統數據傳輸的可靠性。通過總線數據監測軟件BusHound實時測試，本設計的數據傳輸速度高達30 MByte/s。

圖6 LabVIEW程序前面板Fig.6 Front panel of LabVIEW program

5 結束語

本系統軟件、硬件均已調試通過，并已應用于實際項目中，運行良好。實踐證明，本系統結合USB和LabVIEW各自優點完成設計，降低了開發USB設備驅動程序的難度，縮短了研制周期，而由LabVIEW開發的人機界面更友好、美觀。同時本系統硬件集成度高，成本低，結構靈活便于擴展，具有更強的實用和推廣價值。

[1]羅偉林.基于USB2.0的高速數據采集系統 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[2]楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW 程序設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2005.

[3]National Instruments.USB Instrument Control Tutorial[EB/OL].[2003]http://www.ni.com.Nov.

[4]曹輝，劉波，姜秀杰.基于USB與FPGA的多路總線通信接口的設計與實現[J].導彈與航天運載技術，2009，4（302）:18－22.CAO Hui，LIU Bo，JIANG Xiu-jie.Design and implementation of a multi-channel bus interface based on USB and FPGA[J].Missiles and Space Vehicles，2009，4（302）：18－22.

[5]錢峰.EZ－USB FX2單片機原理、編程及應用[M].北京：北京航空航天大學出社，2006.

[6]Cypress Semiconductor Corporation. EZ－USB FX2 Technical Reference Manual[S].USA，2002.

[7]余志榮， 楊莉.基于NI－VISA與LabVIEW 的USB接口應用設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2007（1）:66－69.YU Zhi-rong，YANG Li.Design of USB interface based on NI－VISA and LabVIEW[J].Microcontroller and Embedded Systems，2007（1）:66－69.