在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及科學研究中的重要地位日益突出，并且實時高速數(shù)據(jù)采集的要求也不斷提高。在信號、圖像處理、信號處理等一些高速、高精度的測量中，都需要進行高速數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，這些采集卡存在很多缺點，比如安裝麻煩，價格昂貴，尤其是受插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差。

通用串行總線是用來連接外圍設備與計算機之間的新式標準總線。它是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價的并可以實現(xiàn)熱拔插的串行接口。USB技術是為實現(xiàn)計算機和通信集成而提出的一種用于擴充PC體系結構的工業(yè)標準?；赨SB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡，充分利用了USB總線的優(yōu)點，它也必將被越來越多的用戶所接受。

1、USB數(shù)據(jù)采集卡原理

1.1 USB簡介

USB是英文Univeal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它支持在主機與各式各樣即插即用的外設之間進行數(shù)據(jù)傳輸。它由主機預定傳輸數(shù)據(jù)的標準協(xié)議，在總線上的各種設備分享USB總線帶寬。當總線上的外設和主機在運行時，允許自由添加、設置、使用以及拆除一個或多個外設。USB總線技術的提出就是想利用單一的總線技術，來滿足多種應用領域的需要。USB1.1協(xié)議支持兩種傳輸速度，即低速1.5Mbps和高速12Mbps。為了在高速接口之爭中占有一席之地，2000年發(fā)布了USB2.0協(xié)議，它向下兼容USB1.1協(xié)議，數(shù)據(jù)的傳輸速率提高到480Mbps，這就使USB對打印機和其它需要快速傳遞大容量數(shù)據(jù)的外設更具吸引力。

為了滿足實際數(shù)據(jù)采集USB傳輸速度較高的需要，選擇了公司的內(nèi)置USB接口微控制器芯片EZUSB FX2系列，開發(fā)了具有USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡。

1.2 系統(tǒng)框圖

USB系統(tǒng)是一個主從系統(tǒng)，而非對等（peer-to-peer）系統(tǒng)。在主從系統(tǒng)中，命令是由主設備發(fā)出，而從設備只能接收命令，只有在主設備讀取數(shù)據(jù)時，從設備才能提交數(shù)據(jù)。如圖1所示，在USB控制器與外圍之間需要一個FO，來充當數(shù)據(jù)的緩存區(qū)。那么，在USB從設備向主設備發(fā)送數(shù)據(jù)時存在一個問題：FIFO多大才能滿足要求。為了滿足數(shù)據(jù)采集中高速實時流數(shù)據(jù)垢應用，避免FIFO溢出，在我們的系統(tǒng)中，通過及S構造一個容量的FIFO（圖1虛線框內(nèi)所示），可以提供一個低成本并能滿足高速實時流數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案。

2、USB數(shù)據(jù)采集卡硬件

2.1 EZ-USB FX2（CY7C68013）芯片

Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是早符合USB2.0協(xié)議的微控制器之一，它集成了符合USB2.0協(xié)議的（transceiver），串行接口引擎（SIE），增強型的8051內(nèi)核以及可編程的外圍接口。FX2系列芯片獨特的結構使得數(shù)據(jù)傳輸速度可達56Mbps，限度地滿足了USB2.0的帶寬。

EZ-USB FX2的微處理器是一個增強型的8051內(nèi)核，性能可達標準8051的5～10倍，并與標準8051的指令完全兼容。增強型的8051內(nèi)核使用世馘 作程序指令和數(shù)據(jù)，從而使得EZ-USB FX2具有“軟”特性，也就是說，可以通過自行編寫程序指令來實現(xiàn)所需的功能。EZ-USB FZ2使用增強型SIE/USB接口（稱為USB核），通過執(zhí)行USB部本身的協(xié)議來簡化8051代碼編寫的工作。這樣采用硬件完成USB塄，簡化了固件代碼的編制。對于固件代碼的使用，主機通過軟件的方法實現(xiàn)。這種方法充分利用FZ2內(nèi)部的8KB RAM來裝載8051代碼和數(shù)據(jù)。由于EZ-USB FZ2具有重新枚舉的能力，所以在初始化枚舉時，用戶并不需要斷天設備就可以裝載新的描述符。設備描述符和8051程序代碼都能通過主機中的磁盤文件，只有商號、產(chǎn)品號和設備號從啟動時從一個16字節(jié)的EEP到硬件中的。通過這種方式，可以比較容易地從主機升級軟件和修改USB總線設備的固件代碼。

EZ-USB FX2的通用可編程接口GF以及Masr/Slave端點FIFO所對應的8/16位數(shù)據(jù)總線，可以很容易地實現(xiàn)FX2與當前一些主流通過接口（如ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和大部分處理器）的互連。它共有7個端點，端點0，端點1和IN和OUT，還有端點2、4、6和8。其中，前3個端點的大小是固定的64字節(jié)，后4個端點默認大小是2級512字節(jié)的FIFO，端點2和端點4默認是OUT端點，端點6和端點8默認是IN端點，而端點2和6分別可以定義為2級、3級或4級的器，每級的大小也可以是512字節(jié)或1024字節(jié)。從EZ-USB FX2方向來看，一個端點相當于通過總線收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，EZ-USB FX2從OUT緩沖區(qū)中讀取端點數(shù)據(jù)，將通過USB傳的端點數(shù)據(jù)寫入IN緩沖區(qū)。它求全責備速（12 Mbps）和高速（480 Mbps）傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸方式，即控制方式（control mode）、中斷傳輸方式（interrupt mode）、批量傳輸方式（bulk mode）和等時傳輸方式（isochronous mode）。

EZ-USB FX2系列是基于RAM的“軟”結構，在開發(fā)過程中允許無限制設置和升級；它支持全速USB總線吞吐量的傳輸，使用EZ-USB FX2進行設計，可以不受端點數(shù)、緩沖區(qū)大小和傳輸速度的限制；此外，其內(nèi)核中做了大量的輔助指令，簡化了編碼，同時也加快了對USB特性的了解?；谝陨螮Z-USB FX2系列芯片的特性，在開發(fā)的過程中，采用了EZ-USB FX2系列中的CY7C68013芯片（128引腳），其簡化結構如圖2所示。

FX2可配置成三種不同的接口模式Ports、GPIF Master和Slave FIFO，本項目采用Slave FIFO模式。在該模式下，外部邏輯或外部處理器直接連接到FX2的端點FIFO，GPIF沒有被激活，因為外部邏輯可以直接控制FIFO，所以FIFO的基本控制信號（標志、片選、使能）由FX2的引腳引出。外部控制可以是同步或異步，可以使用內(nèi)部，也可以向FX2的接口提供外部時鐘。

2.2 FPGA芯片EP1C6-Q240

在本設計中，所用的FPGA采用公司的CYCLONE芯片EP1C6-Q240。它是一款高速價比的A芯片，工作電壓為1.5V，采用0.13μm工藝技術，全銅SRAM工藝，其存儲器密度可達5980個邏輯單元，包含20個128×36位的RAM塊，總的RAM空間達到92160位，內(nèi)嵌了2個相環(huán)電路和一個用于連接SDRAM的特定雙數(shù)據(jù)率（deficated data rate）接口。此外，該芯片還支持多種不同的標準（包括PCI接口，可連接ASSP和設備的接口以及串行設備接口等）。

這里FPGA的作用除了與SDRAM構成一個大容量的FIFO以外，還需要完成一些控制功能。對于本文的應用，需要完成HDB3碼到NRZ碼的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換等。具體問題要具體分析，用戶可根據(jù)自己的需求對FPGA進行編程。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1180

MAX1180是Maxim公司的雙通道105Msps、3.3V工作電壓、低功耗的高速A/D芯片，采樣數(shù)據(jù)10位電平量化。它是采用差分輸入，帶有寬帶跟蹤/保持（track-and-hold）的雙通道9級流水線型結構的s，如圖3所示。實際的芯片包括兩個圖示的電路，作為輸入的兩路通道，互不干擾。各路采樣信號每半個時鐘周期通過一個STAGE，完成連續(xù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)輸出共需5個時鐘周期。每個流水線首先通過一個1.5位的快閃ADC對輸入電碼量化，然后再由產(chǎn)生一個對應于量化結果的電壓并與輸入電壓作差，輸出電壓放大2倍后送到下流水線處理。A/D-D/A兩次變化以及差分處理的目的在于進行差錯校正，以保證在流水線上的各個階段，ADC的偏移量得到補償并且無代碼丟失。

2.4 硬件連接

根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蛯崟r性的要求，配置CY7C68013工作的接口模式為Slave FIFO模式。當進行數(shù)據(jù)采集時，硬件連接方式如圖4所示。

A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘同時作為CY7C68013的Slave FIFO模式的讀寫控制時鐘，即CY7C68013的接口時鐘連接到IFCLK引腳。SCWR/SLRD是CY7C68013 Slave FIFO的寫使能/讀允許信號。FPGA向C7C68013 Slave FIFO提供Slave FIFO輸出允許信號SLOE，僅在數(shù)據(jù)輸出時有效。FD［15:0］為16位雙向數(shù)據(jù)總線。FIFOADR1：0》為端點FIFO選擇信號。在數(shù)據(jù)輸入時固定為00，選擇的是端點2；在數(shù)據(jù)輸出時固定為10，選擇的是端點6。

3、USB數(shù)據(jù)采集卡軟件

軟件設計是一個USB設備開發(fā)的必備環(huán)節(jié)。USB應用系統(tǒng)軟件設計分為三部分：初始化軟件、主機操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動程序以及主機應用程序。初始化軟件是到控制器中的固件代碼，它響應各種來自系統(tǒng)的USB標準請求（包括USB設備的枚舉、驅(qū)動程序的選擇加載等），完成連接設備和主機的任務。主機應用軟件通過客戶驅(qū)動程序與系統(tǒng)USBI（USB Device Inteace）進行通信，其主要任務是將采集進來的數(shù)據(jù)流，根據(jù)所需處理功能的要求來完成各種基于Windows程序的處理。

3.1 EZ-USB FX2的初始化

通過固件程序的調(diào)度，主機才能得到設備的描述符以及完成端點數(shù)據(jù)的傳輸。對于固件程序的編程，其基本結構如下：

①初始化，包括處理器和外圍電路的初始化；

②主函數(shù)，包括完成符合設備特定要求的代碼；

③中斷處理，包括處理各種中斷的程序代碼。

總的來說，固件程序的編寫有兩種方式。其一，對于熟悉8051匯編語言的用戶來說，可以直接利用匯編語言編寫結構緊湊、高效率的固件代碼；其二，EZ-USB以利用現(xiàn)成的固件程序框架函數(shù)，根據(jù)設備的需求添加相慶的用戶，來完成特定的目的。