基于USB2.0的同步高速數(shù)據(jù)采集器的設計

摘要：介紹了一種基于USB2．0接口的同步高速數(shù)據(jù)采集的設計方案及其軟硬件的設計方法，對Cypress的USB2．0控制芯片CY7C68013和同步數(shù)據(jù)采集芯片AD7862的特性作了簡要說明，同時重點介紹CPIP及其驅(qū)動軟件的設計。

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，對外部總線速度的要求越來越高。通用串行總線(Universal Serial Bus，即USB總線)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。在許多便攜式電腦上，已經(jīng)找不到RS-232接口。迄今為止，常用的USB總線標準有1998年發(fā)布的USBl．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：1．5Mbps和12Mbps，主要應用在低速傳輸要求的場合；而2．0版本面向高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)膱龊?，支?80Mbps的傳輸速度，并向下完全兼容USBl．1協(xié)議。在實際應用中，通常會遇到一些突發(fā)信號，需要對其進行高速采集，對數(shù)據(jù)進行高速傳輸，所以USB2．0標準自然成為首選。以Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013芯片作為核心控制器，設計開發(fā)了一套符合USB2．0標準的高速同步數(shù)據(jù)采集器。

1 CY7C68013芯片

Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013，是目前市面上比較少的符合USB2．0標準的USB控制器之一。與其它同類芯片相比，它提供了4KB的FIFO和一個功能十分強大的GPIF(General Programmable Interface)模塊。后者相當于一個可編程狀態(tài)機，正是由于它的存在，使得CY7C68013比其它同類芯片具有強大的互聯(lián)能力。圖1是CY7C68013芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要特點如下：

·CY7C68013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48MHz，一個指令周期為4個時鐘周期，兩個UART接口，三個定時計數(shù)器，一個I2C接口引擎等。

·CY7C68013提供了一個串行接口引擎(SIE)，負責完成大部分USB2．0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4KB的FIFO保證數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枰?/p>

·為了滿足與各種不同類型外設的互聯(lián)需要，芯片中集成了一個GPIF模塊，讓用戶可以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。

圖1

2 同步高速數(shù)據(jù)采集芯片AD7862

2．1 AD7862的結(jié)構(gòu)

AD7862是AD公司推出的高速、低功耗、雙極性12位的A／D轉(zhuǎn)換芯片，其中包含了兩個獨立的快速ADC模塊(允許同時采樣和轉(zhuǎn)換兩路信號)、4路模擬輸入信號(VAl、VA2、VBl、VB2)、2．5V的內(nèi)部電壓基準以及一個12位的高速并行接口。芯片正常運行時功耗只有60mW，當使用節(jié)電方式時，只有50μW，對于自帶電源的USB設備這種低功耗無疑是一種優(yōu)點。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個ADC都有一個兩通道的多路選擇器，芯片通過地址信號A0分別選通VAl、VA2或VBl、VB2，當一個CONVST信號到來時，同時轉(zhuǎn)換地址A0選中的兩路信號。

2．2 AD7862的控制時序

AD7862的控制時序如圖3所示。在USB2．0同步高速數(shù)據(jù)采集器中，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)兩路ADC開始裝換；BUSY信號在CONVST信號觸發(fā)后；變成并保持為高電子狀態(tài)，直到兩路ADC轉(zhuǎn)換完畢，才又回到低電平；地址A0用于對兩路模擬信號的選擇，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)。使用AD7862值得注意的一點是該芯片提供了電源管理功能，當芯片將第二組數(shù)據(jù)讀出后，CONVST信號繼續(xù)保持低電平，芯片進入休眠模式。這時芯片的功耗只有50μW。這一點對于現(xiàn)在的便攜式設備十分重要。

3 同步高速數(shù)據(jù)采集器的硬件設計

傳統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集卡一般都采用PCI總線設計，但是筆記本電腦以及大部分便攜式設備是沒有PCI插槽的。利用USB2．0技術，不僅保證了較高的數(shù)據(jù)傳輸率(傳輸率最大可以達到480Mbps)，同時還具有便攜和無需外加電源等優(yōu)點。圖4是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。它的工作原理是：在GPIF模塊的控制下，由AD7862對目標進行等間隔采樣，然后將采樣結(jié)果通過GPIF傳送到CY7C68013的內(nèi)部FIFO中緩存；當采集一定量的數(shù)據(jù)后，CY7C68013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。由于有GPIF的硬件支持，CY7C68013中的8051內(nèi)核只是在很少的時間內(nèi)，對控制進行了輔助處理，大部分工作由GPIF硬件完成。這樣8051還可以與其他外設進行互聯(lián)等工作。在高速數(shù)據(jù)采集器上附加了兩路RS-232接口，用于將GPS數(shù)據(jù)和高精度智能測深儀的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)到主控計算機上，大大方便了新近推出的筆記本電腦與傳統(tǒng)外設之間的聯(lián)系。因為新近推出的筆記本電腦大多不具有RS-232接口，而那些野外觀測儀器大多只能通過RS-232接口進行數(shù)據(jù)交換。

對于CY7C68013來說，其配置和固件都是軟的，存儲在外部的E2PROM中，上電時從I2C總線自動裝載到片內(nèi)RAM中，修改起來十分方便，便于固件升級。由于CY7C68013提供了豐富的I／O口，所以進行功能擴展也是很方便的，例如增加一個GPIB數(shù)據(jù)口等。

4 軟件設計

USB設備的軟件設計包括三方面：固件設計、硬件驅(qū)動程序設計以及高級應用程序的設計。

4．1 固件(firmware)設計

Cypress公司為CY7C68013提供了一個開發(fā)框架，可以在KEIL C51環(huán)境下開發(fā)。由于開發(fā)框架的引入，從而大大縮短了用戶的研發(fā)周期。該框架由以下幾部分組成：

(1)FW．C中包含了程序框架的MAIN函數(shù)，管理整個51內(nèi)核的運行，因為Cypress對這個部分的功能進行了精心劃分，一般是不用改動的。

圖3

    (2)用戶必須將PERIPH．C實例化，它負責系統(tǒng)周邊器件的互聯(lián)。固件的設計主要針對這個文件，用戶必須根據(jù)自己系統(tǒng)的需要，實例化這個文件，以實現(xiàn)自己的功能。在這個文件中有幾個函數(shù)是比較關鍵的，在這里做一下特別說明：

·TD_Init函數(shù)，負責對USB端點進行初始化設置。本設計中將端點6設置為1024個字節(jié)，緩存深度為4級，模式設為自動輸入方式。

·TD_Poll函數(shù)，負責系統(tǒng)中循環(huán)任務的處理。它主要是對各個端點的狀態(tài)進行查詢，處理各種OUT或IN端點的交互。值得說明的一點是，這種處理只是輔助性質(zhì)的，大部分工作由硬件自動完成。

·DR_VendorCmnd函數(shù)，主要負責用戶自定義命令的譯碼工作，用戶請求通過端點O傳輸給內(nèi)核。由于CY7C68013上SIE硬件的支持，用戶只需查詢固定地址單元即可獲得當前的命令代碼。

·GPIFINIT．C，其中只有一個Gpiflnit函數(shù)；它是GPIF模塊的初始化函數(shù)，一般在TD_Init函數(shù)中調(diào)用。這個函數(shù)是由Cypress公司提供的一個GPIF Designer開發(fā)工具根據(jù)用戶設計的波形生成的，用戶不需要自己設計波形查詢表，減輕了設計者的工作強度。

·DSCR．A51是描述表文件，負責USB設備的描述工作，CY7C68013在上電后自動利用其中的VID和PID取代默認的VID和PID。

·兩個包含文件EZUSB．LIB和USBJMPTB．OBJ，前者是EZUSB函數(shù)庫的二進制文件，后者是USB的中斷向量表。

固件調(diào)試，使用Cypress提供的EZ-USB control panel，具體的操作讀者可以參考其自帶幫助。

4．2 驅(qū)動程序的設計

驅(qū)動程序負責對底層硬件的訪問。在本設計的驅(qū)動程序開發(fā)中，使用的開發(fā)工具是Jungo公司的WinDriverv6．03，它支持多種操作系統(tǒng)。利用WinDriver開發(fā)的優(yōu)點是用戶不需要了解操作系統(tǒng)內(nèi)部的具體工作機理，同時也不需要了解各個系統(tǒng)DDK(Developing or Debugging in Kernel)的開發(fā)工具，用戶只需使用WinDriver提供的開發(fā)平臺，即可完成驅(qū)動程序的設計工作，剩下的底層細節(jié)由WinDriver內(nèi)核統(tǒng)一處理，從而降低了對開發(fā)者編程能力的要求，同時也大大縮短了開發(fā)周期。下面就使用WinDriver開發(fā)驅(qū)動程序的步驟做一個簡要說明(以在Windows操作系統(tǒng)下的開發(fā)為例)：

(1)啟動WinDriver的DriverWizard工具；

(2)利用DriverWizard檢測硬件是否正常；

(3)在DriverWizard中選擇所使用的開發(fā)環(huán)境，這里使用VB6．0開發(fā)環(huán)境，并生成驅(qū)動程序代碼；

(4)對生成的代碼進行修改，使其符合系統(tǒng)的需要；

(5)在WinDriver環(huán)境的用戶模式下，調(diào)試驅(qū)動程序；

(6)如果程序需要內(nèi)核訪問，以提高驅(qū)動程序的效率，進入內(nèi)核開發(fā)。

    4．3 高級應用程序的設計

高級應用程序建立在驅(qū)動程序之上，在本設計中，選用了VB6．0的開發(fā)環(huán)境來開發(fā)應用程序。它以驅(qū)動程序為橋梁，對USB設備進行命令控制，處理USB設備傳回的數(shù)據(jù)，例如波形顯示、頻譜分析等。開發(fā)者可以依據(jù)自己的實際需求，制作一個USB控制器的控件或數(shù)據(jù)包，在編寫應用程序時連接或嵌入到應用程序中。

隨著筆記本電腦的迅速普及，高性能便攜式采集器將會倍受矚目，尤其是在RS-232接口已被大多數(shù)筆記本電腦擯棄的今天，對USB數(shù)據(jù)采集器的需求就變得更加迫切，并已顯示出了良好的市場前景。本文所述的基于USB2．0的高速同步數(shù)據(jù)采集器就其功能來說已不僅限于數(shù)據(jù)采集，應該說是一個功能強大的混合信號處理器。經(jīng)過在水下機器人聲納和浙江深水網(wǎng)箱監(jiān)測設備中的使用表明數(shù)據(jù)吞吐量大、性能穩(wěn)定，達到了設計要求。只要搭配合適的傳感器以及相應的信號調(diào)理電路，利用本文所述的高性能采集器，就可以對各種模擬量進行采集和分析處理。如果再能夠配以合適的固件設計，則完全可以構(gòu)成一個多功能控制系統(tǒng)。