【摘要】本課題設(shè)計(jì)了一套基于FPGA和USB2.0的便攜高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以FPGA最小片上系統(tǒng)為控制核心，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5510和USB2.0接口芯片CY7C68013的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高速采集和傳輸。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)采集;FPGA;USB2.0;A/D轉(zhuǎn)換

一、引言

近年來(lái)，對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求與日俱增，現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)量中的數(shù)據(jù)采集與處理跨入到工業(yè)與過(guò)程控制。它已成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的不可缺少的一個(gè)組成部分。

本課題是對(duì)EDA技術(shù)的應(yīng)用，即利用EDA工具實(shí)現(xiàn)基于FPGA的數(shù)據(jù)采集。本文按照EDA開(kāi)發(fā)流程，采用Verilog語(yǔ)言對(duì)FPGA進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)墓δ?。用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，進(jìn)行時(shí)序仿真，各模塊都在邏輯綜合工具QuartusⅡ下進(jìn)行綜合，并編程下載到FPGA芯片Cyclone IV系列EP4CE30F23C6芯片，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，再通過(guò)USB2.0接口電路送入PC機(jī)輸出。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由FPGA控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換、USB接口部分組成，如圖1所示。

A/D轉(zhuǎn)換器將所要采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由FPGA接收、緩沖、存儲(chǔ)，經(jīng)USB2.0端口傳回至主機(jī)工作站。高速A/D轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換速率為20MHz的TLC5510。

FPGA利用內(nèi)部的SRAM提供數(shù)據(jù)輸入/輸出的雙緩沖功能。采用雙緩沖的原因同USB中的大端點(diǎn)所配置的雙緩沖類(lèi)似，均是防止數(shù)據(jù)的溢出和保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。本文選用Altera公司的Cyclone系列芯片EP4CE30F23C6。

CY7C68013是Cypress公司推出的EZ-USB FX2系列智能USB接口芯片。其作用是把A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)以高速的數(shù)據(jù)序列形式發(fā)送到主機(jī)。其中，USB2.0端口提供一個(gè)能和計(jì)算機(jī)連接的數(shù)據(jù)傳輸接口。

系統(tǒng)工作過(guò)程為：A/D轉(zhuǎn)換器在FPGA的ADC接口控制電路控制下，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將指定通道的采樣數(shù)據(jù)存入FPGA內(nèi)部FIFO緩存。同時(shí)，F(xiàn)PGA的USB接口控制邏輯查詢(xún)CY7C68013是否空閑，如果空閑，那么由FPGA的USB接口控制邏輯將指定通道的采樣結(jié)果，從FPGA內(nèi)部FIFO緩存送入CY7C68013的內(nèi)部FIFO。當(dāng)內(nèi)部的FIFO容量達(dá)到一定程度后，CY7C68013自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包傳送到PC機(jī)。由于固件程序把CY7C68013設(shè)置為特定的自動(dòng)模式，因此CY7C68013把數(shù)據(jù)送往PC機(jī)期間的所有操作無(wú)需CY7C68013中CPU的干預(yù)，從而保證足夠的數(shù)據(jù)傳輸速率。采樣過(guò)程中FPGA的USB接口控制邏輯依次取走批量數(shù)據(jù)，在USB接口打包傳送時(shí)A/D轉(zhuǎn)換持續(xù)進(jìn)行，F(xiàn)PGA內(nèi)部FIFO也被持續(xù)寫(xiě)入轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

三、硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件主要分為兩個(gè)部分：A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5510和FPGA構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊，另一部分由FPGA和USB控制芯片CY7C68013構(gòu)成的數(shù)據(jù)傳輸模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，選用的高速A/D芯片是TI公司的TLC5510。它是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片，能提供的最小采樣率為20MSPS。由于TLC5510采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)能夠保持較低的功耗。TLC5510與FPGA的接口電路如圖2所示。

FPGA提供TLC5510 20MHz的工作時(shí)鐘和使能輸出信號(hào)OE，低電平有效。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)TLC5510轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，將采樣數(shù)據(jù)傳給FPGA的FIFO保存。

圖2 FPGA與TLC5510的接口電路圖

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊

在數(shù)據(jù)傳輸模塊中，采用的是Cypress公司的EZ-USB FX2芯片CY7C68013。這是一款性能較高的USB2.0微控制器。在單芯片上集成了USB2.0收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口。

為了保證較高的傳輸速度，使用不經(jīng)過(guò)CPU的SLAVE FIFO（從FIFO）控制工作模式。在該方式下FX2的CPU不直接參與USB數(shù)據(jù)處理，而是簡(jiǎn)單地把FX2作為USB和外部數(shù)據(jù)處理邏輯之間的通道，數(shù)據(jù)流并不經(jīng)過(guò)CPU，而是通過(guò)FX2的FIFO直接傳輸。FIFO由外部控制器控制，外部控制器可像普通FIFO一樣對(duì)FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫(xiě);與此同時(shí)，F(xiàn)IFO提供外部控制器所需的時(shí)序信號(hào)、握手和輸出使能等信號(hào)。

在本設(shè)計(jì)中，采用Slave FIFO從機(jī)方式實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)FX2的控制。CY7C68013與FPGA的連接示意圖如圖3所示。修改FX2芯片提供的基本固件程序，設(shè)置端點(diǎn)EP2為輸出端點(diǎn)，大小為1KB，F(xiàn)lagA為EP2緩存的空標(biāo)志，低電平有效;端點(diǎn)EP6為輸入端點(diǎn)，大小為1KB，F(xiàn)lagC為EP6緩存的滿標(biāo)志，低電平有效。

模塊的基本工作過(guò)程為：當(dāng)A/D采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)滿FPGA中的FIFO后，F(xiàn)PGA根據(jù)SLAVE FIFO的控制時(shí)序產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，將在FIFO中的數(shù)據(jù)傳輸給FX2的內(nèi)部端點(diǎn)FIFO，而當(dāng)內(nèi)部端點(diǎn)存儲(chǔ)滿后，F(xiàn)X2自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。外部控制器FPGA對(duì)FX2的控制進(jìn)程如下：

①分配FIFOAddr[1：0]=10，F(xiàn)IFO指針指向輸入端點(diǎn)，檢查FIFO的滿標(biāo)志是否為1，假如Full=1，表示FIFO不滿，轉(zhuǎn)到②，否則保持在①;

圖3 CY7C68013與FPGA連接示意圖

②把外部數(shù)據(jù)indata放在FD上，同時(shí)將SLWR拉高，以使FIFO指針自動(dòng)加1，然后轉(zhuǎn)到③;

③假如有更多的數(shù)據(jù)要傳輸，轉(zhuǎn)到②，否則轉(zhuǎn)到①。

四、軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分：FX2的固件程序，USB的驅(qū)動(dòng)程序，F(xiàn)PGA控制模塊。

（1）EZ-USB FX2的固件設(shè)計(jì)

固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備CPU中的程序。只有在該程序運(yùn)行時(shí)，外設(shè)才能稱(chēng)為具有給定功能的外圍設(shè)備。Cypress公司為FX2固件開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)固件庫(kù)和固件框架，都是在Keil C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)的。固件庫(kù)提供了一些常量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、宏、函數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化用戶(hù)對(duì)芯片的使用。固件框架實(shí)現(xiàn)了初始化芯片、處理USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求以及掛起狀態(tài)下的電源管理等功能。該框架不添加任何代碼，編譯后生成的.HEX文件載入芯片就能和主機(jī)進(jìn)行基本的USB通信。用戶(hù)主要的工作就是選擇適合的傳輸方式，添加需要使用的端點(diǎn)，在框架預(yù)留的地方添加初始化代碼和完成特定功能的代碼。這樣大大簡(jiǎn)化了用戶(hù)對(duì)程序的編寫(xiě)，在不十分了解USB2.0協(xié)議的情況下，也能通過(guò)代碼的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)USB的傳輸功能。

（2）USB的驅(qū)動(dòng)程序

該系統(tǒng)需要通用驅(qū)動(dòng)程序和下載固件的驅(qū)動(dòng)程序。通用驅(qū)動(dòng)程序完成與外設(shè)和用戶(hù)程序的通信及控制;而下載固件的驅(qū)動(dòng)程序則只負(fù)責(zé)在外設(shè)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(kāi)與USB總線連接，完成對(duì)外設(shè)的重新設(shè)置。FX2根據(jù)新的設(shè)置安裝通用驅(qū)動(dòng)程序，重新枚舉外設(shè)為一個(gè)新的USB外設(shè)。

在Windows操作平臺(tái)下，當(dāng)有新的設(shè)備接入時(shí)，操作系統(tǒng)就會(huì)依據(jù)設(shè)備回送的有關(guān)信息自動(dòng)的調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

（3）FPGA控制模塊。

在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的橋梁，完成對(duì)TLC5510的控制和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，同時(shí)也完成對(duì)EZ-USB FX2單片機(jī)的控制。因此在FPGA中需要構(gòu)成3個(gè)模塊：FIFO數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、控制模塊、時(shí)鐘分頻模塊。

FIFO數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。每個(gè)FIFO存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)容量定位2048B，可通過(guò)Mega Wizard工具來(lái)調(diào)用。

控制模塊要完成對(duì)TLC5510、FIFO存儲(chǔ)模塊和EZ-USB FX2的控制，這是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能和各個(gè)模塊的控制時(shí)序，控制模塊將產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的采集和存儲(chǔ)的功能。

系統(tǒng)提供的FPGA外部時(shí)鐘頻率為50MHz，通過(guò)分頻模塊產(chǎn)生TLC5510的最大采樣工作頻率20MHz。

五、結(jié)論

基于FPGA和USB2.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足現(xiàn)代高速設(shè)備對(duì)傳輸速度的要求，解決了傳輸速度慢的瓶頸。通過(guò)FPGA的模塊設(shè)計(jì)、EZ-USB FX2的固件設(shè)計(jì)和上層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸。

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作者簡(jiǎn)介：馬玲（1981—），女，湖北武漢人，華中科技大學(xué)武昌分校講師，主要從事通信專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與研究工作。