基于USB 2．0的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

l 引 言

　　通用串行總線(Univeisal Serial Bus，USB)憑借其即插即用、熱插拔以及較高的傳輸速率等優(yōu)點，成為PC機與外設連接的普遍標準。迄今為止，常用的USB總線標準有1998年發(fā)布的USB 1．1版本和2000年發(fā)布的USB2.0版本。其中1．1版本支持兩種傳輸速率：1．5 Mb／s和12 Mb／s，主要應用在低速傳輸要求的場合。而USB2.0[1]版本在1．1版本的基礎上擴展了以下特點：

　　最高480．Mb／s傳輸速率，比USB 1．1提高了40倍；全面兼容USB 1．1設備；新的HUB結構成倍地提高USB1．1設備的數(shù)據(jù)流速度。

　　對于一個基于USB的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無論USB芯片還是D／A轉(zhuǎn)換器，都有多種不同的選擇方案?？紤]到系統(tǒng)的精度、速率等諸元素，筆者在設計時選擇了EZ-USB FX2系列中功能較強的CY7C68013A TQFP 128腳封裝芯片作為核心控制器，結合模數(shù)轉(zhuǎn)化器AD7658，開發(fā)了，一套基于USB 2．O的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 CY7C68013A芯片介紹

　　設計系統(tǒng)中的接口芯片選用Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013A[2](128腳)，他包括1個8051處理器，1個串行接口引擎(SIE)，1個USB收發(fā)器，8.5 kB片上RAM，4 kB FIFO存儲器和1個通用可編程接口(GPIF)。

　　(1)內(nèi)部集成了一個增強型的51內(nèi)核，其指令集與標準的8051兼容，并且在多方面有所改進。例如：最高工作頻率可達48 MHz，一個指令周期為4個時鐘周期，2個UART接口，3個定時計數(shù)器，1個1。C接口引擎等。

　　(2)提供了一個串行接、口引擎(SIE)，負責完成大部分USB 2．0協(xié)議的處理工作，從而大大減輕了USB協(xié)議處理的工作量，并且提供了4 kB的FIFO保證數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枰?。和以往的USB傳輸引擎不同的是，68013的內(nèi)核部分不直接參與FIFO以及傳輸工作，傳輸與控制部分脫離，大大提高了總線傳輸?shù)乃俣?，這也是本系統(tǒng)的特點之一。

　　(3)為實現(xiàn)與各種不同外設的互連，芯片中集成了一個GPIF模塊，使用戶可按照外設的時序進行波形編輯，而不需要復雜的程序描述，就可以保證GPIF與內(nèi)部FIFO的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)芯片與高速外圍設備之間的邏輯連接和高速數(shù)據(jù)傳輸。這對于開發(fā)者來說是相當友好的。筆者就是利用這一特性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速同步采集及傳輸。

3 同步高速數(shù)據(jù)采集芯片AD7658

3．1 AD7658 [3]的結構

　　AD7658是AD公司推出的高速、6通道、低功耗、雙極性12位的A／D轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部結構如圖2所示，其主要特點是：6個獨立的快速ADC模塊(允許同時采樣和轉(zhuǎn)換6路信號)；正確的雙極模擬輸入；最高的速度：250 KSPS;低功率：5 V的電源以250 KSPS速度運行下，功率是400 mW；串行和并行接口；高速串行接口；兼容SPI／QSPI／DSP接口；節(jié)電模式時最大消耗5μA；64LQF、P封裝。

3．2 AD7658的控制時序

　　前面已經(jīng)提到AD7658可以采用并行接口或者高速的串行接口，在本文中，我們采用并平行接口。在USB2．0同步高速數(shù)據(jù)采集器中他的控制時序，是利用GPIF實現(xiàn)圖3所示的時序控制。

　　其中CONVST 是轉(zhuǎn)換開始啟動信號，下降沿觸發(fā)3路．ADC開始裝換；BUSY信號在CONVST信號觸發(fā)后；變成并保持為高電平狀態(tài)，直到3路ADC轉(zhuǎn)換完畢，才又回到低電平；CS信號和RD信號分別是芯片使能信號以及讀允許信號。兩者第一次同為低電平時，讀出第一組ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)；在第二次為高電平時，讀出第二組ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

4 USB高速數(shù)據(jù)采集的硬件設計

　　實際信號經(jīng)過傳感器，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)成電信號，而后進行信號調(diào)理，達到AD7658可以輸入的信號范圍，之后在GPIF模塊的控制下，由AD7658對其進行等間隔采樣，然后將采樣結果通過GPIF 傳送到CY7C68013A的內(nèi)部FIFO中緩存；當采集一定量的數(shù)據(jù)CY7C68013A自動將數(shù)據(jù)打包(不需要8051的介入)，通過USB總線傳輸?shù)絇C機中進行數(shù)據(jù)處理。

5 USB高速數(shù)據(jù)采集軟件設計

　　該系統(tǒng)的軟件設計主要包括兩部分，一部分是固件設計，另一部分是驅(qū)動和應用程序。

5．1 固件設計

　　固件是運行在CY7C68013A上的程序，本系統(tǒng)采用C51語言來編程設計，其主要功能是控制CY7C68013接收并處理USB驅(qū)動程序的請求(如請求設備描述符、請求或設置設備狀態(tài)，請求或設置設備接口等USB 2．0標準請求)、控制CY7C68013A接收應用程序的控制指令、通過cY7C6801 3A存放數(shù)據(jù)并實時上傳至PC等。

　　本方案中的固件設計思路是：在Cypress公司自己提供的固件開發(fā)軟件平臺上，結合該固件工程所提供的FW．C，BULK．C，DSCR．A51，F(xiàn)X2．H，F(xiàn)X2REGS．H等文件，運用高級語言C51進行編程。固件程序的載入方式為：使用CY7(268013A特有的軟配置功能。將固件程序存儲到計算機中，當沒備接入USB電纜時，通過Cypress公司提供的開發(fā)軟件Usb Control Pariel的Download項，將固件載入到控制芯片中。

5．2驅(qū)動程序設計

　　USB需要通用驅(qū)動和下載固件驅(qū)動兩個程序。通用驅(qū)動用于完成外設與用戶程序的通信，可使用Cypress公司開發(fā)包所提供的已經(jīng)編好的通用驅(qū)動程序ezusb．sys，一般不需要重新編寫；下載固件驅(qū)動則負責在外設連接USB總線后把特定的固件程序下載到CY7C68013A的RAM中使C2PU重啟，同時模擬斷開與USB總線的連接，以完成對外設的重新設置，使主機能夠根據(jù)新的設置來安裝通用驅(qū)動程序，重新列舉外設為一個新的USB設備。他可以由Cypress公司已經(jīng)編好的驅(qū)動部分和固件程序由DDK編譯后生成。在本設計方案中，采用的就是在配置好的輔助開發(fā)環(huán)境中修改這個通用驅(qū)動程序的方式。

5．3應用程序設計

　　主機應用程序是主要實現(xiàn)從高速數(shù)據(jù)采集處理板讀取處理后的數(shù)據(jù)、存儲、顯示處理結果以及向數(shù)據(jù)采集處理板發(fā)送控制命令。本系統(tǒng)開發(fā)使用Windows XP作為開發(fā)平臺，以VC++6．0為開發(fā)工具，設計中考慮到工程要求，主要兼顧了以下功能：采集傳輸控制功能(連接設備，設定采集參數(shù)，啟動和停止采集，下載程序，塊傳輸測試的開始、結束、設置、計數(shù)編輯、持續(xù)時間編輯)；描述符的讀取功能(設備、配置、接口、端點、字符串的描述符讀取)；系統(tǒng)功能(數(shù)據(jù)圖形結果，文件數(shù)據(jù)的生成)。

6 結 語

　　隨著現(xiàn)在實際要求的多樣化、復雜化，對數(shù)據(jù)采集的精度、速度要求也越來越高，USB 2．0已經(jīng)成為必然的趨勢。本系統(tǒng)是一個簡單的USB接口設計，通過最簡單的連接，達到高速實時數(shù)據(jù)采集的目的。該系統(tǒng)電路簡單、工作穩(wěn)定、傳輸速率高，還具有USB設備的體積小，使用方便等特點，可以滿足了很多工程中數(shù)據(jù)采集的要求。

參考文獻:

[1].AD7658datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/AD7658_1131529.html.
[2].CY7C68013datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CY7C68013_.html.
[3].BULKdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/BULK_2523104.html.
[4].A51datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/A51_1823359.html.