基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集器設計

董文信，柴克謙，張福雄（湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集器設計

董文信，柴克謙，張福雄
（湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

USB2.0數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個方面，本文對基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了研究 ， 完成對USB2.0高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設計，而軟件方面則選取Cypress公司的FX2系列的芯片進行框架搭建和驅(qū)動軟件編寫。

硬件設計；軟件編寫；AD7862

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.126

0　引言

科學技術的發(fā)展使數(shù)據(jù)采集在各個方面的運用越來越多。因此應用背景對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了越來越高的要求。USB2.0接口是計算機重要的外設接口，現(xiàn)如今已廣泛推廣開來，它具有使用方便，傳輸速度快、穩(wěn)定性高、占用系統(tǒng)資源少、與外部接口簡單等特點。因此選擇采用USB2.0來完成對數(shù)據(jù)的采集和傳輸，十分符合現(xiàn)如今的需求。基于USB2.O的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正是在這樣的趨勢下應運而生。設計開發(fā)時選擇了在市場上具有最優(yōu)的性價比的Cypress公司的EZ-USBFX2系列的CY7C68013芯片，以此為平臺開發(fā)高速數(shù)據(jù)采集器。

1　總體設計

設計高速數(shù)據(jù)采集器主要包括三個方面：高速數(shù)據(jù)采集芯片AD7862、硬件設計、軟件設計。

采集芯片AD7862：該芯片是AD公司生產(chǎn)的雙核12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，即內(nèi)置兩個可以同時工作的A/D轉(zhuǎn)換器，因此可以滿足高速采集數(shù)據(jù)的要求。兩個采樣放大器和兩個A/D轉(zhuǎn)換可以對兩路模擬輸入信號同時采樣和轉(zhuǎn)換。芯片正常運行時內(nèi)置5V基準電壓且功耗只有60mW，所以適合USB設備使用。

在采集過程中，轉(zhuǎn)換開始低電平有效，下降沿觸發(fā)開始轉(zhuǎn)換，保持兩個采樣放大器保持平穩(wěn)。BUSY信號此時為高電平，表示轉(zhuǎn)換還未結(jié)束。直到A/D轉(zhuǎn)換完畢才回到低電平。轉(zhuǎn)換結(jié)束后AO用于兩路模擬信號（VA1、VA2和VB1、VB2）地址選擇。

2　硬件設計

EZ-USBFX2芯片：CY7C68013，具有高效GPIF和智能SIE特點，可使數(shù)據(jù)傳輸和采集達到USB2.0可通過率的最大值，而且能處理兼容性的問題，擴大了采集器的應用范圍。CY7C68013芯片可編程的外圍接口可以直接連接到并口，并可通過編程設置多種工作方式。

目前的高速數(shù)據(jù)采集器都應用與電腦等數(shù)據(jù)傳輸量大的設備，而USB2.0技術的開發(fā)就是為了滿足高速傳輸和采集的要求，在利用CY7C68013芯片開發(fā)過程中，GPIF（可編程接口）是CY7C68103的端點FIFO的內(nèi)部控制器，可軟件設置讀寫控制波形，通常使用Cepress公司的GPIF開發(fā)工具實現(xiàn)。在波形設計完成后，GPIF將依據(jù)波形產(chǎn)生相應的控制和信號給外界接口。通過這種方法，對GPIF進行軟件編譯，可以實現(xiàn)FIFO的讀寫需要和控制邏輯。數(shù)據(jù)采集原理：利用GPIF模塊自主設計的優(yōu)點，來控制采集芯片AD7862對目標進行采樣，在采樣結(jié)束后將采樣結(jié)果通過GPIF傳送到CY7C68013的內(nèi)部FIFO中緩存。

3　軟件設計

軟件設計包含了三個部分，有圖1所示的CY7C68013的固件，主機平臺上的設備驅(qū)動程序和應用程序。

圖1　

3.1固件設計

固件設計是指芯片上的固件程序設計，主要目的是控制芯片上的微控制器，接收和處理USB驅(qū)動程序請求，控制應用程序傳輸數(shù)據(jù)。在設計過程中，應用Cypress公司提供的開發(fā)平臺上，利用C語言進行開發(fā)，設計芯片上運行程序。

3.2驅(qū)動程序設計

USB驅(qū)動程序分為通用驅(qū)動和下載固件驅(qū)動，通用驅(qū)動指外設與目標端口連接產(chǎn)生通信，一般在Cypress的程序開發(fā)包中有，不需要編寫。而下載固件驅(qū)動是在外設與目標端口連接后，需要下載特定的固件程序，來重新設置通用驅(qū)動。

在程序運行后，每當有一個USB接口接入時，搭建好的軟件自動會將插入設備的信息為依據(jù)去調(diào)用相應的驅(qū)動和程序，之后通過USB設備驅(qū)動程序與USB服務接口進行通信，并由其產(chǎn)生傳送動作。而固件部分通過響應各種不同的USB請求，來完成各個數(shù)據(jù)的交換與處理。固件架構其實是用以連接了USB兼容的外圍設備的基本功能，在對最基礎的符表文件進行鏈接，對大的架構代碼做少些的修改或添加，以適應不同固件環(huán)境下的兼容問題，再如右上圖中鏈接cypress的子程序完善兼容功能。

其實整個系統(tǒng)就是對FPGA與主機的相互調(diào)節(jié)控制，通過微控制器的操作，我們得以將整個橋梁完整有機的搭建起來，對USB接口的控制，從而與計算機進行通信，還有對FPGA對話，設置工作模式，接口的控制都是系統(tǒng)實現(xiàn)的保證。

預期成果包括軟硬件系統(tǒng)一套，能實現(xiàn)上述方案的全部功能。

4　結(jié)語

隨著計算機技術的飛速發(fā)展， 數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制要求越來越高，所以高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起到積極應用。憑借即插即用、總線供電、可擴展、傳輸速度快、數(shù)傳準確度高和使用方便等優(yōu)點，USB2.0的這些優(yōu)點使得USB設備得到了廣泛應用。目前，幾乎所有的計算機都支持USB總線。 本文主要從硬件和軟件設計兩個方面論述了高速數(shù)據(jù)采集的開發(fā)過程，重點闡述了硬件設計的原理、固件程序的設計思想、應用程序的設計、固件下載驅(qū)動程序的開發(fā) 。