FPGA和USB的雙通道數據采集測試系統

黃遠望，嚴濟鴻

（電子科技大學電子工程學院，成都611731）

引 言

數據采集系統是信號與信息處理系統不可缺少的組成部分，其廣泛應用于微電子技術、計算機技術和通信技術等領域。本文所述系統充分利用了現場可編程門陣列的靈活性［1］和通用串行總線（USB）體積小、即插即用、速度高等優點［2］，可實現多種頻率信號的雙通道觸發采集。給出了該系統的硬件方案和電路原理，做了詳細說明，同時介紹了FPGA 內部邏輯的設計，最后搭建實驗平臺對該系統的功能做了驗證。

1 系統總體概述

硬件系統中包括差分接口電路、高速SRAM、時鐘選擇電路、FPGA 和USB 接口電路。輸入的數據通過差分接口電路輸入到FPGA 中，而數據的隨路時鐘則進入到時鐘選擇電路中做延時處理。當上位機發送采集命令后，FPGA 開始采集數據并存入到SRAM 中，當達到預定緩存區長度時，再由SRAM 將數據讀出，通過USB 總線上傳到計算機中。其中系統的整體結構如圖1所示。

圖1 數據采集系統框圖

2 板級電路設計

2.1 主要器件選型

作為采集系統硬件核心的FPGA 選取Cyclone系列EP1C12Q240C6［3］芯片。該芯片采用全銅SRAM 工藝，封裝為PQFQ240，保證了較低的焊接成本，同時具有高達175個用戶I／O 口，能夠充分滿足本系統對I／O 口數量的需求。其內部集成了2個PLL鎖相環，12 060個LE邏輯單元，存儲資源達到239 616位，可以很好地支撐硬件資源的開銷。與該芯片配套的還有Altera公司的專用配置芯片EPCS4，該芯片能夠提供4 Mb的程序空間，它與FPGA 芯片之間采用專門的AS-JTAG 兼容配置電路連接。

數據緩存為高速SRAM 存儲器CY7C1061AV33，其最大具有1 M×16位的存儲空間，最高支持100 MHz的讀寫速度。

USB芯片采用的是CYPRESS公司使用廣泛的EZUSB FX2LP系列CY7C68013A。該芯片支持USB2.0傳輸協議，內部集成了智能串行接口引擎和8051微處理器內核，其在低功耗的前提下可以實現數據傳輸的無縫連接，其數據傳輸速度可達到48 MHz。

差分接口芯片則為TI公司的SN65LVDS386，該芯片可將LVDS數據和時鐘信號轉換為LVTTL 格式的單端信號。要使其正常工作，需要在輸入差分對信號之間串聯一個100Ω 的電阻。

2.2 USB接口方案

USB 方案采用CY7C68013A 的SLAVE FIFO［4］模式，通過讀寫其內部的4個端點FIFO 的方式來實現數據的無縫連接。其硬件連接示意圖如圖2所示。

圖2 SLAVE FIFO 方案硬件連接框圖

其中FIFOADDR［1：0］為端點的地址線，FPGA 通過該地址線控制USB端點FIFO的選擇；FD［15∶0］為雙向數據總線；FLAGA／B／C為可編程狀態指示信號，可以通過固件編程使其表示端點FIFO 的空滿狀態信息；SLCS＃為USB芯片片選信號；SLOE、SLWR、SLRD為讀寫端點FIFO的控制信號，低有效；PKTEND是數據包結束信號，IFCLK 為接口同步時鐘，由USB芯片提供，頻率為48MHz。

2.3 存儲方案

由于FPGA 中資源量較小，而對于數據緩存最大容量為每一路數據為1M，采用FPGA 內部RAM 資源達不到其數據存儲的要求，則采用外部存儲的方式。為簡化設計，對于存儲器的選擇采用了讀寫時序比較簡單的SRAM。為了方便同時對兩路數據存儲，本系統中運用兩片SRAM 分別完成兩路數據通道的緩存。其中電路連接框圖如圖3所示。

其中，ADDR［19∶0］為地址總線，DATA［15：0］為雙向數據總線，WEN、CEN、OEN 為讀寫使能信號，BHEN和BLEN 為高低字節有效信號。

圖3 存儲方案硬件連接框圖

2.4 時鐘方案

采用外部隨路時鐘進行采樣，每一個數據通道對應一路時鐘。每路時鐘通過外部延時芯片，其延時量可通過FPGA 控制。其電路圖如圖4所示。

圖4 外部時鐘延時選擇方案原理圖

其中DS1100為延時芯片，其輸出TAP1～TAP5 為輸入時鐘延時20～100ns的時鐘信號。延時之后的時鐘輸出到8 路選擇器74AC151中，輸出控制端ADELAY＿SEL0～2連接到FPGA。通過這種方式，可以靈活地對輸入時鐘做適當延時，以保持時鐘和數據之間的建立時間和保持時間關系，防止采樣到亞穩態的情況。

2.5 電源方案

整個數據采集系統硬件所需要的供電電平有5 V、3.3V 和1.5V 三種情況，其中通過初步功率分析，3.3V和1.5V 提供的電流總量不超過1.5A，其可以通過線性電源芯片LM1086來實現，而5V 可由外圍供電接口直接供電。其電路圖如圖5所示。

圖5 電源模塊原理圖

LM1086-3.3直接提供5V到3.3V的電壓轉換，而1.5V電壓是LM1086-ADJ輸出端串接兩個精密電阻（R1和R2）分壓電路來實現的，其中兩個電阻值之比為5：1。

3 FPGA程序設計

FPGA 的內部程序為本系統的核心內容，本設計采用模塊化的設計思路，將系統分為各個子模塊來完成相應的功能，最后集成為一個整體。下文中給出了每個功能模塊的具體說明。

3.1 數據通道采樣模塊

在本系統中每個數據通道的輸入位寬為16位，伴隨數據的還有一個同步時鐘輸入。每個通道數據格式為IQ，兩路數據相互交錯輸入，時鐘上升沿為I，下降沿為Q。針對這樣的數據格式，本設計采用兩個并聯的異步FIFO 的方式來實現數據的采集和時鐘域的轉換。兩個FIFO 中一個接輸入時鐘，另外一個接輸入時鐘的反相時鐘，通過這種方式來同時采樣上升沿和下降沿的數據。為了保證數據采樣過程中寫入數據的連續性，必須保證在異步FIFO 之后的讀取數據速度大于寫數據的時鐘速率，故在讀時鐘端采用48MHz時鐘，使速率低于48Mbps的輸入數據都能夠被有效、連續地采集下來。

3.2 SRAM 讀寫模塊

該模塊完成外圍存儲芯片的讀寫操作，其讀寫速度達到48 Mbps。針對CY7C1061AV33 存儲芯片的讀時序，必須在一個地址穩定有效時間段內使得WEN 信號經歷一個負脈沖的過程，才能保證數據正確地寫入SRAM 中。讀過程中，一直保持OEN 信號為低，輸入待讀取數據的地址，即可將存儲器中相應位置的數據成功讀取出來。在整個讀寫過程中，CEN 都保持為低，當該模塊空閑狀態時，該信號置高。

3.3 通道連接選擇模塊

此部分負責數據通道的選擇。由于在采集前端是兩路數據同時采集，而上傳到PC 機上只有一路數據總線，故這里需要將傳輸到USB的數據通道根據主控程序的控制在A 通道和B通道之間切換。根據上位機參數設置指令可以指定采集的通道，可為A 通道、B通道或者AB 通道同時選擇。當同時選擇AB通道時，數據選擇模塊先將A 通道接到USB接口模塊，A 通道傳輸完畢之后再將B通道接入。

3.4 USB接口模塊

該模塊為與外圍USB芯片的接口程序主要完成接收并返回上位機的指令，并將采集的數據傳輸給上位機，實現FPGA和USB芯片之間的交互。數據和命令采用分離傳輸方式，即數據命令不能在同一時刻傳輸。上傳數據時FPGA選擇6端點［5］，通過FLAGB和FLAGC來檢測數據端點的空滿狀態，當端點FIFO 為非空時啟動數據傳輸，為滿時暫停數據傳輸。另一方面，控制命令的傳輸需要通過端點2實現，主機向端點2發送命令，當FPGA檢測到端點2所對應的FIFO非空時即可通過讀FIFO 操作接收命令，通過這種方式FPGA能夠獲取上位機設置的命令參數，之后底層硬件便可以按照上位機的要求進行相應的操作。

3.5 主控狀態機

主控模塊作為FPGA 內部邏輯的控制核心，負責對上位機指令譯碼并作出相關操作，同時監測和控制各個子模塊的工作狀態。

指令的下傳主要由上位機經過USB芯片傳輸到FPGA 的I／O 口上。USB接口程序接收到指令之后，將接收到的指令傳給主控模塊，在主控模塊中對指令進行譯碼操作。上位機下傳給硬件系統的命令包括板卡檢測、硬件自檢、參數設置、采集開始這4類，每一條指令長度為16位。其中又以參數設置指令最為重要，其包含了通道選擇、緩沖區長度設置、外部時鐘延時選擇、觸發模式選擇等相關信息。主控模塊的工作狀態圖如圖6所示。

圖6 主控模塊內部狀態圖

由圖6可知，針對上位機不同的指令對應不同的操作，操作完成之后狀態機會重新進入到等待命令的狀態。

4 系統測試結果

結合CYPRESS公司官方提供的USB接口調試軟件Cyconsol EZ-USB來實現發送命令，并接收硬件上傳數據。通過軟硬件聯合調試，搭建實驗平臺，對本次設計做了功能測試。

利用安捷倫E4430B 信號源產生頻率為26KHz、幅度為0dB 的正弦信號，通過ADC500芯片做A／D 轉換，采樣率為1 MHz，采樣得到信號經過差分轉換之后接入本數據采集系統，得到的結果如圖7所示。可以看到，該數據采集系統能夠正確、穩定地采集數據并將數據傳輸到上位機中，驗證了系統的正確性。

結 語

本文從工程應用的角度出發，介紹了基于FPGA、SRAM 和USB的系統構架的數據采集系統。實踐證明，該系統能夠實現數據穩定有效的采集，具有較高的實用價值，可以適用于多種速度的數據采集需求，具可有擴展性。

圖7 測試軟件界面圖

［1］邵磊，倪明.基于FPGA 的高速數據采集系統設計與實現［J］.計算機工程，2011，27（19）：221-223.

［2］曾一，李鵬，毛樂山.一種USB 接口便攜式多模式多通道A／D 數據采集系統［J］.電測與儀表，2008，45（7）：44-46.

［3］Altera Corporation.Cyclone Device Handbook，2008.

［4］Cypress.EZ-USB Technical Reference Manual，2002.

［5］Cypress.Cypress CyAPI Programmer＇s Reference，2011.