基于FPGA軟核的高速數據采集系統(tǒng)設計

　(1)在沒有來自PC機的控制命令情況下，如果FIFO_RD_EN=1，則FD[15：0]的數據傳輸方向為從FPGA到USB接口芯片(圖6表示為FD_OUT[15：0])，即數據從FIFO輸出至USB接口芯片；如果此時FIFO_RD_EN=0，則FD[15：0]呈高阻態(tài)。
　(2)當有來自PC機的控制命令時，FD[15：0]的數據傳輸方向為從USB接口芯片到FPGA(圖6表示為FD_IN[15：0])，即PC機的控制命令寫入到USB接口芯片，再傳輸到FPGA內部命令分析器中。此時，命令分析器會根據命令控制ADC_START信號，進而控制ADC數據采集的啟停。
　無論在上述哪種情況下，如果FIFO_CLEAR=0、 FIFO_WR_EN=1且FIFO_FULL=0時，FIFO_WR_CLK都有相應的時鐘信號輸入，此時ADC轉換完成的數據隨寫時鐘通過ADC_DATA[11：0]寫入FIFO中。
3.3 USB接口控制單元
　USB接口控制單元主要完成兩種功能：(1)通過USB接口芯片實現把數據傳輸到PC機。此時FIFO中的數據先寫入EP6，當EP6寫滿時，USB接口芯片自動將數據打包傳輸到PC機。(2)協(xié)助FIFO控制單元接收來自PC機的命令數據。此時命令數據從PC機通過USB接口傳輸到EP2，然后讀取EP2的數據到FIFO控制單元的命令分析器中。USB接口控制單元狀態(tài)機工作如下：
　(1)當FPGA上電或者復位后，狀態(tài)機進入空閑狀態(tài)(IDEL)。
　(2)在空閑狀態(tài)下，當EP2不空(EP2_EMPTY=0)時，進入讀命令狀態(tài)(READ_COMMAND)，此時令EP_ADDR[1：0]=00，FD[15：0]的傳輸方向由EP2指向FPGA，控制單元從EP2中讀出PC機傳來的控制命令。
　(3)隨后進入存儲命令狀態(tài)(SOTRE_COMMAND)，控制單元把傳來的控制命令存儲到FIFO控制單元內部的指令分析器中。同時控制單元置FIFO_CLEAR=1，即把FIFO控制單元內的FIFO數據清空，以準備存儲新的ADC轉換數據。任務完成后回到空閑狀態(tài)。
　(4)優(yōu)先處理PC機通過EP2傳來的命令，因此優(yōu)先查看EP2的空狀態(tài)。在空閑狀態(tài)下，當EP2為空(EP2_EMPTY=1)且FIFO控制單元內FIFO不為空(FIFO_EMPTY=0)且EP6不滿(EP6_FULL=0)時，進入寫數據狀態(tài)(WRITE_DATA)。在寫數據狀態(tài)下，EP_ADDR[1：0]=10，控制單元選中CY7C68013的EP6，FD[15：0]方向由FPGA指向EP6，同時FIFO_RD_CLK產生一個周期時鐘，FIFO_RD_EN置為高電平，一個數據從FIFO控制單元內FIFO中讀出。
　(5)隨后進入傳輸數據狀態(tài)(TRANS_DATA)。在該狀態(tài)下，令SLWR=0，數據從FIFO控制單元內FIFO寫入CY7C68013的EP6中。任務完成后進入空閑狀態(tài)。
　USB接口控制單元狀態(tài)機示意圖如圖7所示。

4 USB接口芯片程序設計
4.1 USB固件程序
　固件程序是一種嵌入在硬件設備中的軟件，通過執(zhí)行固件程序，硬件設備可以完成各種特定的功能。在本設計中，CY7C68013芯片的固件程序是整個系統(tǒng)傳輸的控制核心，主要完成以下五種功能：(1)CY7C68013芯片的初始化；(2)輔助硬件完成設備的重新枚舉；(3)中斷處理；(4)數據接收與發(fā)送；(5)對外圍電路進行控制。
Cypress公司為提高用戶的開發(fā)效率，提供了EZ-USB FX2LP開發(fā)套件，其中包含了一個完整的固件程序架構[3]。該架構主要包含了EZ-USB FX2LP芯片的設備初始化、處理標準USB設備請求與電源管理等服務功能。用戶在開發(fā)時，只需使用Keil uVision3在固件架構下提供相應的USB描述符以及編寫外部設備功能程序代碼。固件架構流程圖如圖8所示。

　主函數是固件架構流程的具體實現。主函數首先對內部狀態(tài)變量進行初始化，隨即調用TD_Init()進行用戶設備初始化，TD_Init()函數運行完成后，使能中斷，隨后進入主循環(huán)。
4.2 USB驅動程序設計
　USB驅動程序位于固件程序與應用程序之間，是USB設備與PC機的通信接口。Cypress公司為用戶設計了一款通用驅動程序包(ezusb.sys)，可以完成應用程序與USB接口的通信與控制任務。本設計即使用該通用驅動程序。
5 應用程序設計
　應用程序通過USB驅動程序與USB接口進行通信。本設計使用LabVIEW設計應用程序。LabVIEW為用戶提供了簡單、直觀、易學的圖形編程法，相比于傳統(tǒng)的編程語言，LabVIEW能大量地節(jié)省開發(fā)時間。用戶通過LabVIEW應用程序可以進行對數據采集系統(tǒng)的控制，而且采集到的數據在控制界面中實時顯示。
　本文介紹了一款較為通用、基于USB2.0接口的高速數據采集系統(tǒng)設計方法，通過FPGA軟核在數據采集系統(tǒng)中的應用，解決了硬件電路設計繁瑣復雜的問題，而且便于開發(fā)者對產品進行修改優(yōu)化，可以大幅度地縮短產品的開發(fā)時間。本系統(tǒng)通過了硬軟件的聯合調試，系統(tǒng)工作正常，穩(wěn)定性良好。
參考文獻
[1] Xilinx Corporation. Spartan-3AN FPGA family data sheet. 2009.
[2] Cypress Semiconductor Corporation． EZ-USB FX2 CY7C68013 technical reference manual version2.2. 2003.
[3] 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版社，2006.