高速同步数据采集管理论文

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摘要：介绍基于USB2.0协议、最多可四路同步采样的高速同步数据采集系统。其单通道采样速度620ksps，四通道同时采样速度可达180ksps。USB接口控制及通信芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013，通过对其可编程接口控制逻辑的合理设计和芯片内部FIFO的有效运用，实现了数据的高速连续采样。

关键词：USB2.0协议同步数据采集CY7C68013可编程控制接口FIFO

USB（UniversalSerialBus）总线是INTEL、NEC、MICROSOFT、IBM等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范。为了适应高速传输的需要，2000年4月，这些公司在原1．1协议的基础上制订了USB2．0传输协议，已超过了目前IEEE1394接口400Mbps的传输速度，达到了480Mbps。USB总线使用简单，支持即插即用PnP（PlugAndPlay），一台主机可串连127个USB设备。设备与主机之间通过轻便、柔性好的USB线缆连接，最长可达5m，使设备具有移动性，可自由挂接在具有USB接口的运行在Windows98／NT平台的PC机上。USB总线已被越来越多的标准外设和用户自定义外设所使用，如鼠标、键盘、扫描仪、音箱等。

笔者结合设备检测中数据采集的实际需要，设计了该高速同步数据采集系统。该系统最多可四路同步采样，单通道采样速度可达620ksps，四通道同时采样速度可达180ksps。USB接口控制芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013，通过对其可编程接口控制逻辑的合理设计和芯片内部FIFO的有效运用，实现了数据的高速连续采样和传输。

1基本原理

该采集系统总体框架分三部分：主机（能支持USB2．0协议的PC机）、内部包含CPU及高速缓存的USB接口控制芯片（CY7C68013）和高速同步采样芯片（MAX115），如图1所示。其数据传输分两部分：控制信号传输和采集数据传输。控制信号方向为由主机到外设，由外设CPU控制，数据量较小；采集到的数据由外设到主机，数据量较大。为了保证较高的传输速度，不经过CPU。系统基本操作过程为：主机给外设一个采样控制信号，FX2根据该信号向A／D转换器送出相应控制信号，即采样模式控制字；之后由A／D转换器自主控制转换，并将各通道采样数据存入其片内缓存。一旦转换完成，由A／D的完成位向FX2的可编程控制接口发读采样结果信号；然后由可编程接口的控制逻辑依次将各通道采样结果从A／D的缓存读入FX2的内部FIFO。当FIFO容量达到指定程度后，自动将数据打包传送给USB总线。期间所有操作不需要CPU的干预。采样过程中接口控制逻辑依次取走批量数据，在打包传送时A／D仍持续转换，内部FIFO也持续写入转换结果。只要内部FIFO写指针和读指针位置相差达到指定的值就立即取走数据。从而保证了同步连续高速采集的可靠性。

2硬件部分

2．1芯片介绍

CY7C68013属于Cypress公司的FX2系列产品，它提供了对USB2．0的完整解决方案。该芯片包括带8KB片内RAM的高速CPU、16位并行地址总线＋8位数据总线、I2C总线、4KBFIFO存储器以及通用可编程接口（GPIF）、串行接口引擎（SIE）和USB2．0收发器。在代码的编写上，与8051系列单片机兼容，且速度是标准8051的3～5倍。

CY7C68013与外设有两种接口方式：可编程接口GPIF和SlaveFIFOs。

可编程接口GPIF是主机方式，可以由软件设置读写控制波形，灵活性很大，几乎可以对任何8／16bit接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写，使用非常灵活。SlaveFIFOs方式是从机方式，外部控制器可象对普通FIFO一样对FX2的多层缓冲FIFO进行读写。FX2的SlaveFIFOs工作方式可设为同步或异步；工作时钟为内部产生或外部输入可选；其它控制信号也可灵活地设置为高有效或低有效。笔者在设计中采用主机方式。

MAX115是美信公司的高速多通道同步采样芯片。含有两组4路同步通道，共8个输入端。采样精度为12位，采样模式由采样控制字决定，可灵活地在两组中的1～4个通道间选择。采样时，各通道转换结果先存入其内部相对应的4个12bit存储单元，各通道都转换完后再一起取走。

2．2电路原理及设计

考虑CY7C68013与MAX115接口时，采样模式不同，控制波形有所差别，笔者选择主机方式即可编程控制接口（GPIF）。

GPIF是FX2端点FIFO的内部控制器。在这种方式下，接口内核可产生6个控制输出端（CTL0～CTL5）和9根线的地址（GADR[8:0])输出，同时可以接收6个外部输入(RDY0～RDY5)和2个内部输入。FX2有4个波形描述符控制各个状态。这些波形描述符可以动态地配置给任何一个端点FIFO。例如，一个波形描述符可以配置为写FIFO，而另一个配置为读FIFO。FX2的固件程序可以把这些描述符配置给四个FIFO中的任意一个，配置后，GPIF将依据波形描述符产生相应的控制逻辑和握手信号给外界接口，满足向FIFO读写数据的需要。GPIF的数据总线既可以是单字节宽（8位FD[7:0]）也可以是双字节宽（16位FD[15:0]）。每个波形描述符包含了S0～S6七个有效状态和一个空闲状态。在每个有效状态对应的时间段里，经过预先设置，GPIF可以做以下几件事情：（1）驱动（使为高或低）或悬浮6个输出控制端；（2）采样或驱动FIFO的数据总线；（3）增加GPIF地址总线的值；（4）增加指向当前FIFO指针的值；（5）启动GPFIWF(波形描述符)中断。除此之外，在每个状态，GPIF可以对以下几个信号中任意两个进行采样，它们是：（1）RDYX输入端；（2）FIFO状态标志位；（3）内部RDY标志位；（4）传输计数中止标志位。把其中两个信号相与、相或或者相异或，根据结果跳转到其它任意一个状态或延迟1～256个IFCLK时钟周期。当然也可以根据输入端的信号进行跳转或延迟。GPIF波形描述符通常用Cepress公司的GPIF工具(GPIFTOOL)进行配置。它是一个可运行于Windows平台的应用程序，与FX2的开发包一起。

在这种方式下，所有的读写及控制逻辑通过CY7C68013的GPIF以软件编程的方式实现，且控制逻辑的变换方便灵活（只需要改变接口的一个配置寄存器的值）。电路连接如图2所示。

本数据采集系统只用到了两个输出控制CTL0、CTL1和一个外部输入RDY0，它们分别接MAX115的CONVST＃、WR＃和INT＃。数据总线用双字节，其中FD0～FD11接MAX115的数据输入端D0～D11，FD12和FD13接控制字输入端的A2和A3，FD0和FD1复用做控制字输入端的A0和A1。MAX115的采样基准时钟由FX2的输出时钟经三分频得到，为16MHz。对应四种数据传输方式（八种不同的采样模式），GPIF的控制及握手信号波形有所不同。四通道同步采样的时序图如图3所示。

在第一个判决点，若采样数据已准备就绪，MAX115传给GPIF一个负脉冲信号RDY0；根据此信号，波形按顺序转入2、3、4、5状态，使指向内部FIFO的指针在每个时钟上升沿加1，依次读取四个数据，取完数据后利用CTL0的上升沿启动下一次采样。若在状态1时没有出现负脉冲，则直接跳转到状态6，之后重复执行此波形描述符。

三通道同步采样时，读取数据的状态只需要持续三次。其它采样模式控制波形的设计依此类推。

2．3固件程序设计

固件程序是指运行在设备CPU中的程序。只有在该程序运行时，外设才能称之为具有给定功能的外部设备。固件程序负责初始化各硬件单元，重新配置设备及A／D采样控制。固件代码的存储位置有三种：第一种是存在主机中，设备加电后由驱动程序把固件下载到片内RAM后执行，即“重新枚举”；第二种方法是把固件代码固化到一片EEPROM中，外设加电后由FX2通过I2C总线下载到片内RAM后自动执行；最后一种方法是把程序固化到一片ROM中，使之充当外部程序存储器，连在FX2三总线上。笔者选用第一种方式，这种方式便于系统的调试和升级。固件程序框图如图4所示。

3用户程序和驱动程序

3．1驱动程序的编写

该系统需要两个驱动程序，即通用驱动和下载固件的驱动。通用驱动完成与外设和用户程序的通信及控制；而下载固件的驱动则只负责在外设连接USB总线后把特定的固件程序下载到FX2的RAM中，使FX2的CPU重启，模拟断开与USB总线的连接，完成对外设的重新设置。主机根据新的设置安装通用驱动程序，重新枚举外设为一个新的USB设备。

通用驱动程序一般不需要重新编写，用Cypress公司已经编好的驱动ezusb．sys；而下载固件的驱动则必须定做，其详细操作过程见参考文献[2]。

3．2用户程序的编写

用户程序是系统与用户的接口，它通过通用驱动程序完成对外设的控制和通信。在编写用户程序时，首先要建立与外设的连接，然后才能实施数据的传输。启动采样后，为了保证不丢失数据，用户程序应该建立一个新的工作线程专门获取外设传来的数据。程序中主要用到两个API函数：CreateFile（）和DeviceIoControl()。CreateFile（）取得设备句柄后，DeviceIoControl()根据该句柄完成数据传输。程序代码简要如下：

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(“无法创建设备，请确认设备是否连上！”,NULL,IDOK);

}

else

{

DeviceIoControl(

hDevice,

IOCTL＿EZUSB＿BULK＿WRITE,

＆blkctl,

sizeof(BULK＿TRANSFER＿CONTROL),

＆inBuffer,／／定义的数据缓冲区

sizeof(inBuffer),

＆nBytes,

NULL);

……

}

程序框图如图5所示。

在该高速同步数据采集系统的设计中，CY7C68013芯片灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件的设计，提高了系统的可靠性，也利于PCB板的制作与调试。另外，USB设备的可热插拔特性使得该系统具有便携式的特点，使用方便，无需关机重启或打开机箱进行安装。该数据采集系统已成功地应用于某型雷达的便携式故障检测与维修系统，取得了良好的效果。