基于CY7C68013和MAX115芯片實現(xiàn)高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用方案

作者：周云鋒，孫書鷹，王宏

USB（Universal Serial Bus）總線是INTEL、NEC、MICROSOFT、IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線接口規(guī)范。為了適應高速傳輸?shù)男枰?000年4月，這些公司在原1.1協(xié)議的基礎上制訂了USB2.0傳輸協(xié)議，已超過了目前IEEE1394接口400Mbps的傳輸速度，達到了480Mbps。USB總線使用簡單，支持即插即用PnP（Plug And Play），一臺主機可串連127個USB設備。設備與主機之間通過輕便、柔性好的USB線纜連接，最長可達5m，使設備具有移動性，可自由掛接在具有USB接口的運行在Windows98/NT平臺的PC機上。USB總線已被越來越多的標準外設和用戶自定義外設所使用，如鼠標、鍵盤、掃描儀、音箱等。

結合設備檢測中數(shù)據(jù)采集的實際需要，設計了該高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)最多可四路同步采樣，單通道采樣速度可達620ksps，四通道同時采樣速度可達180ksps。USB接口控制芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013，通過對其可編程接口控制邏輯的合理設計和芯片內部FIFO的有效運用，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采樣和傳輸。

1 基本原理

該采集系統(tǒng)總體框架分三部分：主機（能支持USB2.0協(xié)議的PC機）、內部包含CPU及高速緩存的USB接口控制芯片（CY7C68013）和高速同步采樣芯片（MAX115），如圖1所示。其數(shù)據(jù)傳輸分兩部分：控制信號傳輸和采集數(shù)據(jù)傳輸。控制信號方向為由主機到外設，由外設CPU控制，數(shù)據(jù)量較小;采集到的數(shù)據(jù)由外設到主機，數(shù)據(jù)量較大。為了保證較高的傳輸速度，不經過CPU。系統(tǒng)基本操作過程為：主機給外設一個采樣控制信號，F(xiàn)X2根據(jù)該信號向A/D轉換器送出相應控制信號，即采樣模式控制字;之后由A/D轉換器自主控制轉換，并將各通道采樣數(shù)據(jù)存入其片內緩存。一旦轉換完成，由A/D的完成位向FX2的可編程控制接口發(fā)讀采樣結果信號;然后由可編程接口的控制邏輯依次將各通道采樣結果從A/D的緩存讀入FX2的內部FIFO。當FIFO容量達到指定程度后，自動將數(shù)據(jù)打包傳送給USB總線。期間所有操作不需要CPU的干預。采樣過程中接口控制邏輯依次取走批量數(shù)據(jù)，在打包傳送時A/D仍持續(xù)轉換，內部FIFO也持續(xù)寫入轉換結果。只要內部FIFO寫指針和讀指針位置相差達到指定的值就立即取走數(shù)據(jù)。從而保證了同步連續(xù)高速采集的可靠性。

2 硬件部分

2.1 芯片介紹

CY7C68013屬于Cypress公司的FX2系列產品，它提供了對USB2.0的完整解決方案。該芯片包括帶8KB片內RAM的高速CPU、16位并行地址總線+8位數(shù)據(jù)總線、I2C總線、4KB FIFO存儲器以及通用可編程接口（GPIF）、串行接口引擎（SIE）和USB2.0收發(fā)器。在代碼的編寫上，與8051系列單片機兼容，且速度是標準8051的3～5倍。

CY7C68013與外設有兩種接口方式：可編程接口GPIF和Slave FIFOs。

可編程接口GPIF是主機方式，可以由軟件設置讀寫控制波形，靈活性很大，幾乎可以對任何8/16 bit接口的控制器、存儲器和總線進行數(shù)據(jù)的主動讀寫，使用非常靈活。Slave FIFOs方式是從機方式，外部控制器可象對普通FIFO一樣對FX2的多層緩沖FIFO進行讀寫。FX2的Slave FIFOs工作方式可設為同步或異步;工作時鐘為內部產生或外部輸入可選;其它控制信號也可靈活地設置為高有效或低有效。筆者在設計中采用主機方式。

MAX115是美信公司的高速多通道同步采樣芯片。含有兩組4路同步通道，共8個輸入端。采樣精度為12位，采樣模式由采樣控制字決定，可靈活地在兩組中的1～4個通道間選擇。采樣時，各通道轉換結果先存入其內部相對應的4個12bit存儲單元，各通道都轉換完后再一起取走。

2.2 電路原理及設計

考慮CY7C68013與MAX115接口時，采樣模式不同，控制波形有所差別，筆者選擇主機方式即可編程控制接口（GPIF）。

GPIF是FX2端點FIFO的內部控制器。在這種方式下，接口內核可產生6個控制輸出端（CTL0～CTL5）和9根線的地址（GADR［8:0］）輸出，同時可以接收6個外部輸入（RDY0～RDY5）和2個內部輸入。FX2有4個波形描述符控制各個狀態(tài)。這些波形描述符可以動態(tài)地配置給任何一個端點FIFO。例如，一個波形描述符可以配置為寫FIFO，而另一個配置為讀FIFO。FX2的固件程序可以把這些描述符配置給四個FIFO中的任意一個，配置后，GPIF將依據(jù)波形描述符產生相應的控制邏輯和握手信號給外界接口，滿足向FIFO讀寫數(shù)據(jù)的需要。GPIF的數(shù)據(jù)總線既可以是單字節(jié)寬（8位FD［7:0］）也可以是雙字節(jié)寬（16位FD［15:0］）。每個波形描述符包含了S0～S6 七個有效狀態(tài)和一個空閑狀態(tài)。在每個有效狀態(tài)對應的時間段里，經過預先設置，GPIF可以做以下幾件事情：（1）驅動（使為高或低）或懸浮6個輸出控制端;（2）采樣或驅動FIFO的數(shù)據(jù)總線;（3）增加GPIF地址總線的值;（4）增加指向當前FIFO指針的值;（5）啟動GPFIWF（波形描述符）中斷。除此之外，在每個狀態(tài)，GPIF可以對以下幾個信號中任意兩個進行采樣，它們是：（1）RDYX輸入端;（2）FIFO狀態(tài)標志位;（3）內部RDY標志位;（4）傳輸計數(shù)中止標志位。把其中兩個信號相與、相或或者相異或，根據(jù)結果跳轉到其它任意一個狀態(tài)或延遲1～256個IFCLK時鐘周期。當然也可以根據(jù)輸入端的信號進行跳轉或延遲。GPIF波形描述符通常用Cepress公司的GPIF工具（GPIFTOOL）進行配置。它是一個可運行于Windows平臺的應用程序，與FX2的開發(fā)包一起發(fā)布。

在這種方式下，所有的讀寫及控制邏輯通過CY7C68013 的GPIF以軟件編程的方式實現(xiàn)，且控制邏輯的變換方便靈活（只需要改變接口的一個配置寄存器的值）。電路連接如圖2所示。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只用到了兩個輸出控制CTL0、CTL1和一個外部輸入RDY0，它們分別接MAX115的CONVST#、WR#和INT#。數(shù)據(jù)總線用雙字節(jié)，其中FD0～FD11接MAX115的數(shù)據(jù)輸入端D0～D11，F(xiàn)D12和FD13接控制字輸入端的A2和A3，F(xiàn)D0和FD1復用做控制字輸入端的A0和A1。MAX115的采樣基準時鐘由FX2的輸出時鐘經三分頻得到，為16MHz。對應四種數(shù)據(jù)傳輸方式（八種不同的采樣模式），GPIF的控制及握手信號波形有所不同。四通道同步采樣的時序圖如圖3所示。

在第一個判決點，若采樣數(shù)據(jù)已準備就緒，MAX115傳給GPIF一個負脈沖信號RDY0;根據(jù)此信號，波形按順序轉入2、3、4、5狀態(tài)，使指向內部FIFO的指針在每個時鐘上升沿加1，依次讀取四個數(shù)據(jù)，取完數(shù)據(jù)后利用CTL0的上升沿啟動下一次采樣。若在狀態(tài)1時沒有出現(xiàn)負脈沖，則直接跳轉到狀態(tài)6，之后重復執(zhí)行此波形描述符。

三通道同步采樣時，讀取數(shù)據(jù)的狀態(tài)只需要持續(xù)三次。其它采樣模式控制波形的設計依此類推。

2.3 固件程序設計

固件程序是指運行在設備CPU中的程序。只有在該程序運行時，外設才能稱之為具有給定功能的外部設備。固件程序負責初始化各硬件單元，重新配置設備及A/D采樣控制。固件代碼的存儲位置有三種：第一種是存在主機中，設備加電后由驅動程序把固件下載到片內RAM后執(zhí)行，即“重新枚舉”;第二種方法是把固件代碼固化到一片EEPROM中，外設加電后由FX2通過I2C總線下載到片內RAM后自動執(zhí)行;最后一種方法是把程序固化到一片ROM中，使之充當外部程序存儲器，連在FX2三總線上。筆者選用第一種方式，這種方式便于系統(tǒng)的調試和升級。固件程序框圖如圖4所示。

3 用戶程序和驅動程序

3.1 驅動程序的編寫

該系統(tǒng)需要兩個驅動程序，即通用驅動和下載固件的驅動。通用驅動完成與外設和用戶程序的通信及控制;而下載固件的驅動則只負責在外設連接USB總線后把特定的固件程序下載到FX2的RAM中，使FX2的CPU重啟，模擬斷開與USB總線的連接，完成對外設的重新設置。主機根據(jù)新的設置安裝通用驅動程序，重新枚舉外設為一個新的USB設備。

通用驅動程序一般不需要重新編寫，用Cypress公司已經編好的驅動ezusb.sys;而下載固件的驅動則必須定做，其詳細操作過程見參考文獻［2］。

3.2 用戶程序的編寫

用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，它通過通用驅動程序完成對外設的控制和通信。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設的連接，然后才能實施數(shù)據(jù)的傳輸。啟動采樣后，為了保證不丟失數(shù)據(jù)，用戶程序應該建立一個新的工作線程專門獲取外設傳來的數(shù)據(jù)。程序中主要用到兩個API函數(shù)：CreateFile（）和DeviceIoControl （）。CreateFile（）取得設備句柄后，DeviceIoControl （）根據(jù)該句柄完成數(shù)據(jù)傳輸。程序代碼簡要如下：

hDevice = CreateFile（″\\\\。\\EZUSB-0″）

GENERIC_READ | GENERIC_WRITE，

FILE_SHARE_WRITE，

NULL，

OPEN_EXISTING，

FILE_ATTRIBUTE_NORMAL，

NULL）;

If （hDevice == INVALID_HANDLE_VALUE）

{

Application-》MessageBoxA（“無法創(chuàng)建設備，請確認設備是否連上！”，NULL，IDOK）;

}

else

{

DeviceIoControl （

hDevice，

IOCTL_EZUSB_BULK_WRITE，

&blkctl，

sizeof（BULK_TRANSFER_CONTROL），

&inBuffer， //定義的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

sizeof（inBuffer），

&nBytes，

NULL）;

……

}

程序框圖如圖5所示。

在該高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計中，CY7C68013芯片靈活的接口和可編程特性簡化了外部硬件的設計，提高了系統(tǒng)的可靠性，也利于PCB板的制作與調試。另外，USB設備的可熱插拔特性使得該系統(tǒng)具有便攜式的特點，使用方便，無需關機重啟或打開機箱進行安裝。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功地應用于某型。

責任編輯：gt