基于FPGA軟核技術(shù)應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的方法減少開發(fā)時間

摘要：為解決不同性能指標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)時間較長的問題，提出了一種將FPGA軟核技術(shù)應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的方法。系統(tǒng)以Xilinx公司的FPGA為例設(shè)計軟核，使用VHDL語言對軟核進行模塊化設(shè)計。介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路、USB固件程序、USB驅(qū)動程序以及LabVIEW上位機的設(shè)計。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可移植性強，有利于縮短同類型系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)周期。
數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中的重要地位日益突出，同時對實時采集、實時傳輸、實時處理的高速數(shù)據(jù)采集的要求也不斷提高。此外，對于不同的場合，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣參數(shù)要求也不同。工業(yè)生產(chǎn)與科研領(lǐng)域中對數(shù)據(jù)采集研發(fā)提出了以下的要求：(1)接口簡單靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸率；(2)采集器體積小、抗干擾能力強、能夠?qū)?shù)據(jù)做出快速的存儲，并及時進行分析和處理；(3)設(shè)計周期短，能快速適應(yīng)市場需求。
USB2.0以其即插即用、支持熱插拔的靈活性，以及高達480Mb/s的傳輸速率，成為了高速數(shù)據(jù)傳輸接口的首選。而FPGA以其工作頻率和集成度高、穩(wěn)定性良好、抗干擾能力強等優(yōu)點，逐步成為各領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集數(shù)字電路的首選。FPGA集成軟核有設(shè)計周期短、設(shè)計投入少等優(yōu)越性，且不涉及具體的物理實現(xiàn)，可以方便移植到各種FPGA硬件平臺，極大提高了它的靈活性和適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)方案與結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能指標(biāo)修改主要集中在A/D轉(zhuǎn)換模塊與FPGA控制模塊上，在USB2.0接口的硬件、固件、驅(qū)動程序的設(shè)計以及PC機應(yīng)用軟件的設(shè)計基本沒有變化。而A/D轉(zhuǎn)換模塊的修改可以通過A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇及更改輸入信號調(diào)理電路設(shè)計來實現(xiàn)。但更換不同的A/D轉(zhuǎn)換芯片可能給A/D轉(zhuǎn)換的啟?？刂?、數(shù)字信號的緩存等方面帶來較多的改動。而FPGA軟核的模塊化設(shè)計可以極大地減少這方面的改動。
本文以TI公司的低功率高性能A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS800為例介紹系統(tǒng)的設(shè)計。圖1為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。模擬信號經(jīng)過THS4504全差分放大器進行信號差分放大后，輸入到ADS800進行A/D轉(zhuǎn)換。為減少不同系統(tǒng)中FPGA軟核改動的工作量，F(xiàn)PGA內(nèi)部按功能設(shè)計了三個軟核作為系統(tǒng)的控制單元。CY7C68013作為USB控制芯片設(shè)置為從屬FIFO模式(Slave FIFO Mode)，負責(zé)數(shù)字信號在采集系統(tǒng)與PC機間的傳輸；用戶通過LabVIEW設(shè)計的PC機應(yīng)用軟件，在驅(qū)動程序的驅(qū)動下與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行命令以及數(shù)據(jù)的傳輸，以便對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行實時處理。

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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣參數(shù)調(diào)整的本質(zhì)在于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的改變，設(shè)計者只需要更換不同的A/D轉(zhuǎn)換芯片、重新設(shè)計其硬件電路即可達到目標(biāo)。本系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由信號調(diào)理電路與高速A/D轉(zhuǎn)換器組成。信號調(diào)理電路負責(zé)對待測模擬信號進行差分放大，高速A/D轉(zhuǎn)換器負責(zé)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。
為了能精確檢測微弱信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的ADC前加入了全差分放大器THS4504，采用ADS800作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。ADS800含12bit流水線型A/D轉(zhuǎn)換內(nèi)核，支持差分輸入，最高轉(zhuǎn)換速率高達40MHz[1]，極好地滿足了本系統(tǒng)采樣頻率的要求。
2.2 FPGA芯片外圍電路
本系統(tǒng)FPGA采用Xilinx公司的XC3S200AN-4-FT256-C芯片。該芯片擁有20萬門邏輯單元，內(nèi)含16個18KB的塊存儲器(Block RAM)與30KB分布存儲器(Distributed RAM)，最高工作頻率達到326MHz[2]，可滿足本系統(tǒng)的時序需求。
FPEA芯片外圍電路：
(1)FPGA與A/D接口模塊
ADS800的控制信號由FPGA生成，ADS800的轉(zhuǎn)換時鐘設(shè)定為30MHz，由FPGA的時鐘分頻獲得。FPGA與ADS800的連接示意圖如圖2所示。本設(shè)計中，F(xiàn)PGA通過ADC_OE來控制ADS800轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出的啟停；ADS800的30MHz工作時鐘由FPGA的60MHz工作時鐘經(jīng)過二分頻得到；ADS800的數(shù)據(jù)由并口輸出，F(xiàn)PGA內(nèi)部FIFO控制單元將接收到的12bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16bit數(shù)據(jù)存入FPGA內(nèi)的FIFO中。

當(dāng)更換不同的A/D轉(zhuǎn)換芯片時，A/D轉(zhuǎn)換芯片與FPGA的連接有所不同。但對于并行輸出、流水線型的A/D轉(zhuǎn)換芯片，只需模仿上述連接方式，對輸出位數(shù)、控制時序以及FPGA時鐘分頻大小等做合適的修改即可。
(2)FPGA與USB接口模塊
本設(shè)計中使用Cypress公司生產(chǎn)的EZ-USB FX2LP系列的CY7C68013芯片作為USB2.0協(xié)議的微控制器芯片。由于該芯片支持480Mb/s高速傳輸，為本設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸提供了速率保證。FPGA與CY7C68013的連接圖如圖3所示。

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FLAGA、FLAGB腳可通過PINFLGSAB、PINFLAGSCD寄存器來選擇其工作在索引模式還是固定模式。本設(shè)計中被設(shè)置為固定模式。其中FLAGA表示EP2的空狀態(tài)(FIFO_EMPTY)，F(xiàn)LAGB表示EP6的滿狀態(tài)(FIFO_FULL)。
2.3 USB接口外圍芯片電路
本設(shè)計使用容量為16KB的EEPROM芯片AT24C016A存儲，并設(shè)置CY7C68013的VID與PID。在CY7C68013上電并脫離復(fù)位狀態(tài)后，內(nèi)部邏輯會檢查I2C端口上是否連接有串行EEPROM。如果有，則判斷連接上的EEPROM第一個字節(jié)是0xC0還是0xC2。本設(shè)計中設(shè)置EEPROM第一個字節(jié)為0xC0，設(shè)置VID=0x1234、PID=0x2211、DID=0x0001。在這種情況下，由CY7C68013內(nèi)核提供USB描述符，使用EEPROM存儲的VID/PID/DID值替換CY7C68013內(nèi)部的值，并設(shè)置RENUM=0。這樣，在設(shè)備重新列舉后，芯片內(nèi)的程序代碼會以全新的自定義設(shè)備來加以呈現(xiàn)。

3 FPGA軟核設(shè)計

FPGA內(nèi)部控制單元的功能分別由三個軟核負責(zé)完成，分別為：ADC接口控制單元、FIFO控制單元以及USB接口控制單元。三個軟核連接示意圖如圖4所示。

3.1 ADC接口控制單元
ADC接口控制單元控制數(shù)據(jù)采集的啟停和傳輸。數(shù)據(jù)采集開始時，ADC接口控制單元將時鐘信號分頻為30MHz供ADS800作轉(zhuǎn)換時鐘ADC_CLK使用。此時控制單元內(nèi)寄存器CLK_CNT對ADC_CLK轉(zhuǎn)換時鐘進行周期計數(shù)，當(dāng)經(jīng)過7個時鐘周期后(ADS800轉(zhuǎn)換延時為6.5個時鐘周期，為了使轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)穩(wěn)定，本設(shè)計再延時半個時鐘周期輸出)即CLK_CNT=8時，CLK_CNT清零，F(xiàn)IFO寫時鐘(FIFO_WR_CLK)輸出，同時端口FIFO_WR_EN置高電平，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)在補齊16bit后，隨時鐘FIFO_WR_CLK上升沿存入FIFO中。ADC接口控制單元狀態(tài)機工作過程如下：
(1)當(dāng)FPGA上電或者復(fù)位后，狀態(tài)機進入空閑狀態(tài)(IDEL)。
(2)在空閑狀態(tài)下，當(dāng)FIFO不滿(FIFO_FULL=0)且ADC_START=1時，狀態(tài)機進入轉(zhuǎn)換狀態(tài)(CONVERT)，此時，ADC_CLK輸出ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時鐘。
(3)在轉(zhuǎn)換狀態(tài)下，當(dāng)FIFO_WR_EN=1，即數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換延時結(jié)束時，狀態(tài)機進入寫狀態(tài)(WRITE)，此時CLK_CNT清零，ADC_OE和FIFO_WR_EN都置為高電平，F(xiàn)IFO_WR_CLK輸出FIFO寫時鐘。
(4)在任何狀態(tài)下，如果FIFO已經(jīng)寫滿(FIFO_FULL=1)或者ADC_START=0時，自動跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)。
ADC接口控制單元狀態(tài)機示意圖如圖5所示。

3.2 FIFO控制單元
本設(shè)計首先使用FPGA內(nèi)部Block RAM生成FIFO。由于A/D接口控制單元輸出數(shù)據(jù)寬度為16bit，因此，F(xiàn)IFO寬度也設(shè)置為16bit，深度設(shè)置為4KB。FIFO可以使用Xilinx ISE套件中的Core Generator生成器，由Core Generator生成的FIFO軟核配合控制部分構(gòu)成FIFO控制單元。FIFO控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

由于本設(shè)計中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處于異步從屬FIFO模式，且USB接口芯片讀數(shù)據(jù)的速度與ADC數(shù)據(jù)寫入FIFO的速度不同。為解決因讀寫速度不同而可能帶來的數(shù)據(jù)讀寫錯誤問題，F(xiàn)IFO軟核上的FULL與EMPTY兩信號線可以分別指示FIFO滿與空的狀態(tài)。當(dāng)FIFO處于滿狀態(tài)時，F(xiàn)IFO_FULL信號置高電平，由ADC控制單元通知ADC停止采集數(shù)據(jù)；當(dāng)FIFO處于空狀態(tài)時，F(xiàn)IFO_EMPTY信號置為高電平，由USB接口控制單元通知USB接口芯片停止讀FIFO。FIFO的讀時鐘信號(FIFO_RD_CLK)與讀使能信號(FIFO_RD_EN)由USB接口控制單元提供，寫時鐘(FIFO_WR_CLK)與寫使能信號(FIFO_WR_EN)由ADC接口控制單元提供。FIFO控制單元的工作有以下兩種特殊情況：
(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(shù)據(jù)傳輸方向為從FPGA到USB接口芯片(圖6表示為FD_OUT[15：0])，即數(shù)據(jù)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(dāng)有來自PC機的控制命令時，F(xiàn)D[15：0]的數(shù)據(jù)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?shù)紽PGA內(nèi)部命令分析器中。此時，命令分析器會根據(jù)命令控制ADC_START信號，進而控制ADC數(shù)據(jù)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，F(xiàn)IFO_WR_CLK都有相應(yīng)的時鐘信號輸入，此時ADC轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)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(xiàn)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機。此時FIFO中的數(shù)據(jù)先寫入EP6，當(dāng)EP6寫滿時，USB接口芯片自動將數(shù)據(jù)打包傳輸?shù)絇C機。(2)協(xié)助FIFO控制單元接收來自PC機的命令數(shù)據(jù)。此時命令數(shù)據(jù)從PC機通過USB接口傳輸?shù)紼P2，然后讀取EP2的數(shù)據(jù)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(dāng)FPGA上電或者復(fù)位后，狀態(tài)機進入空閑狀態(tài)(IDEL)。
(2)在空閑狀態(tài)下，當(dāng)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，F(xiàn)D[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(nèi)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(nèi)的FIFO數(shù)據(jù)清空，以準(zhǔn)備存儲新的ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。任務(wù)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(dāng)EP2為空(EP2_EMPTY=1)且FIFO控制單元內(nèi)FIFO不為空(FIFO_EMPTY=0)且EP6不滿(EP6_FULL=0)時，進入寫數(shù)據(jù)狀態(tài)(WRITE_DATA)。在寫數(shù)據(jù)狀態(tài)下，EP_ADDR[1：0]=10，控制單元選中CY7C68013的EP6，F(xiàn)D[15：0]方向由FPGA指向EP6，同時FIFO_RD_CLK產(chǎn)生一個周期時鐘，F(xiàn)IFO_RD_EN置為高電平，一個數(shù)據(jù)從FIFO控制單元內(nèi)FIFO中讀出。
(5)隨后進入傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)(TRANS_DATA)。在該狀態(tài)下，令SLWR=0，數(shù)據(jù)從FIFO控制單元內(nèi)FIFO寫入CY7C68013的EP6中。任務(wù)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。

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4 USB接口芯片程序設(shè)計

4.1 USB固件程序
固件程序是一種嵌入在硬件設(shè)備中的軟件，通過執(zhí)行固件程序，硬件設(shè)備可以完成各種特定的功能。在本設(shè)計中，CY7C68013芯片的固件程序是整個系統(tǒng)傳輸?shù)目刂坪诵?，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(shè)備的重新枚舉；(3)中斷處理；(4)數(shù)據(jù)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(gòu)[3]。該架構(gòu)主要包含了EZ-USB FX2LP芯片的設(shè)備初始化、處理標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請求與電源管理等服務(wù)功能。用戶在開發(fā)時，只需使用Keil uVision3在固件架構(gòu)下提供相應(yīng)的USB描述符以及編寫外部設(shè)備功能程序代碼。固件架構(gòu)流程圖如圖8所示。

主函數(shù)是固件架構(gòu)流程的具體實現(xiàn)。主函數(shù)首先對內(nèi)部狀態(tài)變量進行初始化，隨即調(diào)用TD_Init()進行用戶設(shè)備初始化，TD_Init()函數(shù)運行完成后，使能中斷，隨后進入主循環(huán)。
4.2 USB驅(qū)動程序設(shè)計
USB驅(qū)動程序位于固件程序與應(yīng)用程序之間，是USB設(shè)備與PC機的通信接口。Cypress公司為用戶設(shè)計了一款通用驅(qū)動程序包(ezusb.sys)，可以完成應(yīng)用程序與USB接口的通信與控制任務(wù)。本設(shè)計即使用該通用驅(qū)動程序。

5 應(yīng)用程序設(shè)計

應(yīng)用程序通過USB驅(qū)動程序與USB接口進行通信。本設(shè)計使用LabVIEW設(shè)計應(yīng)用程序。LabVIEW為用戶提供了簡單、直觀、易學(xué)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(yīng)用程序可以進行對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，而且采集到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方法，通過FPGA軟核在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決了硬件電路設(shè)計繁瑣復(fù)雜的問題，而且便于開發(fā)者對產(chǎn)品進行修改優(yōu)化，可以大幅度地縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間。本系統(tǒng)通過了硬軟件的聯(lián)合調(diào)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(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.