Niosll和USB接口的高速數據采集卡設計

　引 言

　　隨著現代工業生產和科學研究對數據采集的要求日益提高，在瞬態信號測量、圖像信號處理等一些高速、高精度的測量中，都迫切需要進行高速數據采集(如雷達信號分析、超音波信號分析)；而進行數字處理的先決條件是將所研究的對象數字化，因此數據采集與處理技術日益得到重視。在圖像信號處理、瞬態信號檢測、工業過程檢測和監控等領域，更是要求高速度、高精度、高實時性的數據采集與處理技術。現在的高速數據采集處理卡一般采用高性能數字信號處理器(DSP)和高速總線技術的框架結構。DSP用于完成計算量巨大的實時處理算法，高速總線技術則完成處理結果或者采樣數據的快速傳輸。DSP主要采用TI和ADI公司的產品，高速總線可以采用ISA、PCI、USB等總線技術。其中PCI卡或ISA卡安裝麻煩，價格昂貴，受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差，在一些電磁干擾性強的測試現場，無法專門對其做電磁屏蔽，易導致采集的數據失真。通用串行總線USB是為解決傳統總線不足而推廣的一種新型的通信標準。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優點，已逐漸成為現代數據發展趨勢。基于USB的高速數據采集卡充分利用USB總線的上述優點，有效地克服了傳統高速數據采集卡的缺陷。

　　1 系統硬件設計

　　本系統主要是基于USB2．O的S1ave FIFO模式，在FPGA控制下完成雙通道、不同速率的數據的采集和發送，全兼容USB2．O總線接口標準，其數據的采樣率可高達65 Msps；適用于較高速動態信號的實時記錄采集，其硬件系統總體結構框圖如圖1所示。

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　　該系統主要由信號調理模塊、A／D轉換模塊、觸發模塊、基于FPGA的主控模塊、USB收發控制模塊、片外存儲器及其他輔助電路組成。調理電路與A／D轉換器，將傳感器采集的模擬信號進行相關的信號調理后送入AD9244芯片轉換為數字信號。處理后的數據送往FPGA主控模塊，根據相關的控制信息，選擇通過直接傳輸給上位機，或者先存儲在外部SDRAM，然后經過相關的數字處理后再傳輸給上位機。

　　2 系統模塊介紹

　　2．1 USB2．0專用微處理器CY7C68013A

　　CY7C68013A是Cypress Semiconductor公司生產的一款集成USB2．O的微處理器。它有3種封裝形式——56SSOP、100TQFP和128TQFP，其結構框圖如圖2所示。

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　　CY7C68013集成了USB2．O收發器、SIE、增強的8051微控制器和可編程的外圍接口部件。其SIE可在全速(12 Mb／s)和高速(480 Mb／s)兩種模式下運行，同樣可以使用內部RAM來進行程序和數據的存儲。GPIF和Master／Slave端口FIFO為ATA、UTOHA、EPP、PCM—CIA和DSP等提供了簡單和無需附加邏輯的連接接口。其編程可以根據設計的需要進行，不需要CPU的干預，只需通過CPU的一些標志和中斷即可進行通信。CY7C68013共有7個輸入輸出端口：EP0、EPlOUT、EPlIN、EP2、EP4、EP6、EP8，其中EP2、EP4、EP6、EP8可以分別被配置為批量／中斷／同步傳輸模式，傳輸方向均可配置為I／O，端口EP2、EP6的緩沖區大小可編程為512或1 024字節，深度可編程為2／3／4倍大小；端口EP4、EP8的緩沖區大小固定為512字節，深度為2倍，采用不同的配置方式，可實現特定帶寬和速率要求的數據傳輸。

　　2．2 主控電路FPGA芯片

　　EP2C8Q208EP2C8Q208主控電路如圖3所示。

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　　FPGA芯片也是一種特殊的ASIC芯片，屬于可編程邏輯器件，它是在PAL、GAL等邏輯器件的基礎上發展起來的。同以往的PAL、GAL等相比，FPGA規模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應用。本文選用A1tera公司的FPGA芯片EP2C8Q208，完成數據采集卡的時序和地址譯碼電路設計。由于EP2C8Q208有36個M4K RAM，在FPGA內部設計一個16位寬度、4 KB深度的FIFO，使用FIFO提高數據采集卡對多通道信號的采集存儲能力。FIFO有半滿、全滿、空標志位，當檢測到半滿標志位時，FIFO同時讀寫；全滿時只讀不寫；空時只寫不讀。A／D采樣控制信號通過FPGA控制；PC機對采集后的數據作進一步處理，以提高精度，其中2選1模塊，由主控制模塊來控制，選擇是直接將采集數據送給PC機處理，還是在內部進行DSP處理后再送給PC機。

　　由于Nios是一個位于FPGA中的處理器軟核，定制其外設就顯得比較容易，在SOPC Builder(集成到Quartus II工具中的為建立SOPC系統設計，提供標準化的圖形設計環境。其由CPU、存儲器接口、標準外圍設備和用戶自定義的外圍設備組成)環境下，其定制邏輯的結構框圖如圖4所示。

　　自定制的Avalon外設按照對總線操作的方式可分為：Avalon Slave外設和Avalon Streaming Slave(流模式)外設。在SOPC Builder圖形設計界面下添加需要的內核。通過自動分配系統基地址和系統中斷向量，手動分配CPU復位地址為外設Flash、CPU溢出地址為片上RAM和CPU調試斷點地址為JTAG調試地址，就可由系統報告得知系統是否定制成功，如圖5所示。

2．3 ADC芯片及外圍電路設計

　　ADC外圍電路框圖如圖6所示。

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　　信號調理部分選用高精度、低噪聲、低輸入偏置電流、寬帶運算場效應放大器AD8ll進行信號的放大。模擬信號處理是影響系統性能的重要因素之一，設計時必須考慮兩個方面：一是要保證信號質量，提高信噪比，盡量減少畸變；二是將信號變換成適合A／D處理的幅度并提供足夠的驅動能力。這里選用ADI公司的寬帶運放AD811為放大器。AD8ll是一種電流反饋型的放大器，它具有10 MHz的低失真和單位增益帶寬很寬的特點，使AD81l成為理想的高分辨率ADC緩沖器。之后針對信號進行檔速變換。檔速變換選用ADG系列產品。本設計選用的是一款四路獨立選擇的單片CMOS開關芯片，其設計基于增強的lc2mos進程、可以提供低功耗、高轉換速度和低阻抗性，當信號滿足A／D變換的要求后，根據采集要求將其由單端輸入變換為差分的雙端輸出，芯片選用AD8138。AD8138具有較寬的模擬帶寬(320 MHz，一3dB，增益為1)，可以將單端輸入變成差分輸出。A／D轉換的觸發則由信號放大芯片AD811采集信號和D／A轉換芯片信號進行比較，當有效時，發出ADn_TRIG信號，其中D／A轉換芯片的輸入標準信號(數字輸入端)由FPGA來提供。當ADn_TRIG有效時，FPGA向AD924．4發出控制命令(DIN、FORMAT、MODE、SCLK、sYNC、FSYNC信號)，啟動A／D轉換。

　　A／D轉換器的精密時鐘由DDS電路AD9859YSV提供。

　　3 軟件設計及實現

　　系統軟件設計包括3部分：固件程序、USB設備驅動程序和應用程序。整個軟件實現的功能包括系統初始化、采樣控制、數據傳輸和波形顯示。

　　3．1 固件程序設計

　　固件程序輔助硬件實現設備雙向交換數據，以完成USB通信，其主要功能是：接收并處理USB驅動程序的請求及應用程序的控制指令，控制A／D轉換器的采樣。當首次插入USB時，FX2通過USB電纜會自動枚舉且下載固件和USB描述符表；接下來，FX2再次枚舉，這次主要通過下載的信息來定義設備。這兩個步驟叫作重枚舉。固件程序流程如圖7所示。初始化包含各個初值的設置和關鍵點的電平檢測。

　　在Cypress公司的網站上，可下載CY7(368013芯片的開發工具包。該開發包提供了一些開發固件程序所需的資源：Keil u Vision2集成開發環境(限制版)、Cypress C51固件框架程序以及一些例子程序。KeilCSl是一種專為8051單片機設計的高效率C語言編譯器，符合ANSI標準，生成的程序代碼運行速度極高，所需要的存儲空間極小，完全可與匯編語言相媲美。同時，C51具有豐富的庫函數，多達1O0多種功能函數。因此，采用C語言作為開發語言，以Keil uVision2作為工程開發平臺，完成源代碼的編寫、仿真、調試，將在相當程度上降低固件開發難度，提高開發效率。

　3．2 USB設備驅動設計

　　USB設備驅動程序的設計是基于WDM(WindowsDriver Model，驅動程序模型)的。WDM采用分層驅動程序模型，分為較高級的USB設備驅動程序和較低級的USB函數層。其中USB函數層由兩部分組成：較高級的通用串行總線模塊(us—BD)和較低級的主控制器驅動程序模塊(HCD)。

　　本設計用WinDK3．O開發了Win2000下的驅動程序，實現了控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸的標準接口函數。在應用程序開發中，可用VC++編制應用程序。把USB設備當成文件來操作，用Create—File得到USB句柄，用DevieeloControl來進行控制傳輸，用ReadFile、WriteFile進行批量傳輸。

　　3．3 應用程序設計

　　應用程序流程如圖8所示。用戶應用程序是數據采集系統的核心，其主要功能為：開啟或關閉USB設備、檢測USB設備、設置USB數據傳輸管道、設置A／D狀態和數據采集端口、實時從USB接口采集數據、顯示并分析數據。

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　　4 結 論

　　用FPGA作為采集處理部分，可以提高系統處理的速度，大大增強系統的靈活性和適應性。FPGA技術和USB的組合，使得數據處理能力得到了極大的提高，且有利于系統升級。USB芯片采用了Cpyress公司的高性能USB2．0芯片CY7C68013，可以完全勝任大數據量的傳送。該實例還可應用于實時數據采集、音頻及壓縮視頻數據傳輸等領域。