基于USB2.0與FPGA技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

基于USB2.0與FPGA技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

近年來筆記本電腦迅速普及和更新，其中大部分已經(jīng)不配置RS232接口，而USB接口已成為今后一段時間PC機與外設(shè)接口的主流。本采集系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)建了一個基于USB接口的多功能通用數(shù)據(jù)采集、傳輸平臺，將嵌入式系統(tǒng)的實時性、靈活性和PC機強大的數(shù)據(jù)存儲、處理、顯示功能結(jié)合起來。該采集系統(tǒng)在智能儀器儀表、測控系統(tǒng)、工控系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括：單片機與USB接口模塊、FPGA模塊、信號調(diào)理及A/D模塊。其中，單片機外圍電路相對簡單，整個系統(tǒng)主要通過PC機的程序界面控制操作；USB接口負(fù)責(zé)與PC機通信；FPGA模塊負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的采集與緩存。

　　1.2 單片機與USB接口模塊

　　本設(shè)計的目的是構(gòu)建以PC機為平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，單片機的功能僅限于接收PC機的命令、控制FPGA工作。PC機作為整個系統(tǒng)的人機界面，控制整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集、存儲和處理。由此單片機可以選擇低成本的8XC51系列。為了提高系統(tǒng)的靈活性，采用單片機與USB接口芯片分離的方案，選擇Philip公司的ISP1581 USB2.0接口芯片。該芯片與8XC51系列單片機的接口非常簡單，可以極大地降低系統(tǒng)成本。

　　1.3 FPGA模塊

　　采用FPGA進行采樣控制的最大特點是系統(tǒng)具有重構(gòu)性和通用性。設(shè)計中采用了Altera公司的低成本FPGA的Cyclone系列（實際試驗時，在更便宜的Acex1k器件上也可以實現(xiàn)），控制高速A/D芯片以20MSPS的速度采樣。FPGA模塊的設(shè)計具體包括FIFO、單片機接口、A/D控制接口、DMA控制模塊和主控制器等子模塊的設(shè)計。

　　1.4 PC機端軟件平臺

　　PC機采集程序使用VC++實現(xiàn)，直接調(diào)用Philips公司提供的驅(qū)動程序進行數(shù)據(jù)讀寫，大大降低了開發(fā)難度與風(fēng)險。本設(shè)計中，PC機端軟件設(shè)計包括應(yīng)用程序的界面設(shè)計、多線程數(shù)據(jù)采集、存儲與處理模塊的設(shè)計，以及與USB底層驅(qū)動程序的通信動態(tài)鏈接庫的設(shè)計。

2 USB接口模塊設(shè)計

　　2.1 USB接口芯片

　　USB接口芯片ISP1581具有體積小、高速、與單片機的接口相對簡單等特點。除了控制端點外，ISP1581還有7個輸入（IN）端點和7個輸出（OUT）端點。每個端點可以靈活配置數(shù)據(jù)傳輸方式以及數(shù)據(jù)緩存區(qū)（FIFO）的大小，端點FIFO最大容量可以達到2KB。ISP1581芯片在配置枚舉時需要單片機固件的支持，一旦正確完成了配置和驅(qū)動加載，單片機對于ISP1581芯片就如同普通存儲器一樣可以進行讀寫操作，以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

　　2.2 固件編程

　　USB通信完全由PC主機發(fā)起。在這種結(jié)構(gòu)下，固件總是一直在等待主機命令，再根據(jù)命令去執(zhí)行相應(yīng)的程序。固件的基本思想是采用模塊化設(shè)計，分成 main.c等7個模塊。ISP1581固件結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，main.c為主循環(huán)，isr.c主要負(fù)責(zé)中斷處理，Chap9.c主要負(fù)責(zé)響應(yīng)主機的請求。用戶的應(yīng)用程序?qū)硪部梢园ㄔ趍ain.c循環(huán)中。

　　2.3? 單片機端程序設(shè)計

　　單片機端程序主要包括初始化模塊，外圍Flash、EEPROM、RAM、液晶顯示器、按鍵等的讀寫控制模塊,USB接口芯片固件模塊,A/D采樣工作模式、速度以及采樣數(shù)據(jù)的讀寫的FPGA硬件控制模塊等。本設(shè)計的指導(dǎo)思想是：充分利用PC機和嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點，對MCU端的要求盡量簡化。具體軟件流程示意圖如圖3所示。

　　USB作為一個通信接口，首先必須完成配置，然后才能進行用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收，在循環(huán)中必須隨時檢查是否有主機的配置命令。配置枚舉過程是USB固件編程當(dāng)中較為復(fù)雜的部分，其流程如圖4所示。USB設(shè)備接入到主機并被主機識別后，主機首先以默認(rèn)的地址（00H）發(fā)送一個設(shè)置（SETUP）包，新接入的設(shè)備必須接收此包并響應(yīng)請求。然后主機會發(fā)送輸入包讀取設(shè)備描述符，初步判斷設(shè)備的屬性后，再設(shè)置設(shè)備的地址，隨后再用這個地址讀取設(shè)備的各種描述符以識別并且配置設(shè)備。可見，在設(shè)備配置過程中，主機讀取的數(shù)據(jù)較多，設(shè)備一旦接收到一個SETUP包之后便會判斷主機的請求類型，然后進入請求處理循環(huán)等待主機的進一步命令，如果再次收到一個IN令牌便會向控制端點中寫入數(shù)據(jù)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)長度再次寫端點直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。USB的標(biāo)準(zhǔn)請求包括讀取設(shè)備描述符、配置描述符、端點描述符、設(shè)置地址、配置設(shè)備等，廠商請求由用戶自行定義。

ISP1581接收到主機的數(shù)據(jù)后，將根據(jù)相應(yīng)的情況設(shè)置片內(nèi)的中斷寄存器標(biāo)志中斷源，然后向單片機申請中斷，中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。單片機響應(yīng)中斷后，首先讀取中斷標(biāo)志寄存器并判斷中斷源，然后設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。在用戶的發(fā)送/接收程序中，將根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)志產(chǎn)生相應(yīng)的動作。例如，主機發(fā)送一段數(shù)據(jù)給ISP1581，ISP1581接收、握手完畢后，設(shè)置中斷標(biāo)志并申請中斷。在用戶的任務(wù)中發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)接收的標(biāo)志，就可以讀出ISP1581中的數(shù)據(jù)。而ISP1581向主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先是主機發(fā)送一個IN類型的令牌發(fā)起一次傳輸，如果此時ISP1581相應(yīng)端點的FIFO非空，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)，然后向單片機申請中斷，響應(yīng)中斷以后如果還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則應(yīng)該向ISP1581的FIFO中寫入數(shù)據(jù)，否則直接清空中斷標(biāo)志即可。主機和數(shù)據(jù)采集器之間的握手配合要事先設(shè)計好。

　　根據(jù)輸入傳輸要求，在具體的設(shè)計中，除了主數(shù)據(jù)傳輸端點外，還配置了一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為64字節(jié)的、工作于中斷傳輸方式的端點作為命令端口，負(fù)責(zé)與主機進行通信握手。如果主機想從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，則首先發(fā)送一個讀取命令，單片機接收到該命令后，就向主數(shù)據(jù)端點的FIFO中寫入數(shù)據(jù)，隨后主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)令牌，正好有數(shù)據(jù)可以發(fā)送。通過命令端口還可以發(fā)送各種命令，控制數(shù)據(jù)采集器動作。

3 FPGA數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

　　3.1 模塊劃分
　　
　　FPGA模塊劃分為A/D接口、FIFO、單片機接口、DMA接口控制、主控制器等模塊，其中設(shè)置了一些可以單片機寫入的寄存器。A/D的采集速度，F(xiàn)IFO的空、滿、數(shù)據(jù)寫入、讀出速度都可以靈活配置。整個模塊以Verilog語言寫成，稍加修改可以同各種A/D芯片接口。整個設(shè)計在Altera公司的Cyclone系列的EP1C12中完成。在ACEX1K系列EC1K100器件上也可以實現(xiàn)，工作時鐘頻率為50MHz。

　　為了提高系統(tǒng)的靈活性，在信號的調(diào)理、濾波模塊中使用了Lattice公司的ispPAC80可編程濾波器作為輸入濾波器，可以靈活地設(shè)定抗混疊濾波器的截止頻率，最大截至頻率可以達到750kHz，完全可以滿足一般中、高頻信號的濾波。FPGA作為A/D控制器可以同多種A/D芯片接口，本設(shè)計中使用了TI公司的10位高速A/D芯片TLC876。芯片工作于流水線方式，最高采樣速率為20MSPS。

　　3.2 與單片機及ISP1581的接口

　　FPGA在與單片機信號的接口過程中，使用了同步設(shè)計的方法。即首先對單片機的I/O信號進行采樣同步化，獲得各信號上升、下降沿的時刻，輸出同步脈沖，然后在這些時刻點處根據(jù)同步脈沖的出現(xiàn)與否來控制系統(tǒng)進行動作。這種設(shè)計的優(yōu)點是可以在設(shè)計中采用同步狀態(tài)機，以獲得較高的運行速度和穩(wěn)定的工作性能。這也是ALTERA、XILINX等公司的FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中所推薦使用的方法。

　　為了提高FPGA中的FIFO與ISP1581中的數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)交換速度，FPGA與ISP1581之間采用DMA方式進行數(shù)據(jù)交換。

　　ISP1581有兩種工作方式，由BUS_CONF、MODE0、MODE1三根引腳控制：

　　(1)如果上電時檢測到BUS_CONF引腳為低電平，則工作于分裂總線方式（Split Bus Mode）。ISP1581具有8-bit地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線和16-bit的DMA專用數(shù)據(jù)線。此時MODE1引腳如果為低電平，則可以將芯片的ALE/A0引腳與89X51的ALE腳直接相連，進行地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用；而如果MODE1為高電平，則ALE/A0腳要接其他的89X51引腳，由用戶編程將ALE/A0腳拉高/低進行地址/數(shù)據(jù)復(fù)用，而MODE0腳在這種方式下沒有使用或作為其他用途。

　　(2)如果上電時檢測到BUS_CONF引腳為高電平，則工作于通用處理器方式（Generic Processor Mode）。此時MODE1腳沒有使用（可接Vcc），MODE0引腳則可接低/高電平，這樣可以使芯片的讀/寫引腳分別符合Motorola/89X51微處理器的讀寫規(guī)范。所以讓ISP1581芯片工作于分裂總線方式可以方便地與8051系列單片機接口，其AD[7:0]作為數(shù)據(jù)/地址總線復(fù)用，RD、WE、ALE分別為讀、寫、地址鎖存線，DATA[15:0]作為DMA數(shù)據(jù)總線使用。

　　ISP1581芯片中與DMA相關(guān)的引腳有DREQ、DACK、DIOR、DIOW。DMA傳輸前必須設(shè)定工作模式、初始化DMA相關(guān)寄存器，然后對DMA命令寄存器寫入一個命令便可以啟動DMA傳輸。傳輸模式有主、從、IDE、ATA等方式。通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)比較適合采用從模式，在這種模式下，單片機接收到主機發(fā)來的開始采集命令后，立即命令FPGA啟動采樣，然后命令I(lǐng)SP1581啟動DMA傳輸，ISP1581將DREQ引腳拉高，表示請求數(shù)據(jù)，此時FPGA將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，拉低DACK引腳，待準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，在DIOR線上產(chǎn)生讀脈沖，供ISP1581將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部FIFO。DMA也可以使用主模式，此時讀脈沖DIOR由ISP1581產(chǎn)生。DMA工作時序圖如圖6所示。

4 PC機多線程數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

　　USB的數(shù)據(jù)傳輸使用了虛擬管道的概念，可以同時接入127個設(shè)備。每個設(shè)備可以擁有若干個端點，每個端點可以跟主機組成一個連接，構(gòu)成一個通信的最小實體。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，只要帶寬允許，主機可以同時跟幾個端點通信，因此要求在主機的應(yīng)用程序中開啟多個線程進行通信。在本設(shè)計中，采用了命令端點和數(shù)據(jù)端點分開的方式。命令端點配置成中斷或批量傳輸方式，在主機應(yīng)用程序中專門開啟一個線程同該端點進行通信，開啟另外一個線程進行采樣數(shù)據(jù)傳輸，而兩個傳輸之間互相不影響。用戶界面使用另外的線程，這樣在傳輸過程中，應(yīng)用程序可以隨時響應(yīng)用戶的命令。在具體的設(shè)計中，點擊數(shù)據(jù)采集開始命令即建立并且啟動一個采集線程。在這個無限循環(huán)的線程函數(shù)中設(shè)置了一個標(biāo)志變量，如果該變量為真，則線程函數(shù)繼續(xù)運行；否則線程終止，停止采集。這樣用戶界面線程可以通過修改線程運行標(biāo)志變量來控制線程的運行。采用多線程采集程序的一個問題是線程函數(shù)必須是一個全局函數(shù)，不屬于任何一個類，這樣它就無法訪問類的私有成員或保護成員，解決這個問題的方法是：因為線程函數(shù)在創(chuàng)建時允許傳送一個指針參數(shù)給它，于是可以構(gòu)造一個結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)成員中包含一個指向類的指針。在創(chuàng)建線程時將想要訪問的類的指針包含在一個按前述定義的結(jié)構(gòu)變量中，并將該結(jié)構(gòu)的指針作為參數(shù)傳給線程函數(shù)。這樣就可以在線程函數(shù)中定義一個類對象，并把前述的類指針賦給它，通過類指針就可以訪問該對象中的所有成員了。在本設(shè)計中采用多線程程序設(shè)計后，系統(tǒng)工作非常穩(wěn)定。

　　目前，國內(nèi)外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常用的接口方式有多種,如 RS232 串行口、并行口，ISA 總線、PCI總線等。這些總線接口雖各具優(yōu)點，但也都有其難以克服的缺點而被逐漸淘汰。USB接口具有連接方便、無需外接電源、即插即用、支持熱插拔、動態(tài)加載驅(qū)動程序等特有優(yōu)點，在主機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間可以實現(xiàn)簡單、快捷、可靠的連接和通信。本設(shè)計應(yīng)用ISP1581USB接口芯片與FPGA技術(shù)，構(gòu)建了一個使用靈活的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了PC機的大存儲量，強大的數(shù)據(jù)處理能力，高清晰的大屏幕顯示（相對于嵌入式系統(tǒng)而言），以及嵌入式系統(tǒng)的實時與靈活性。目前正在使用此平臺構(gòu)建一個在消聲室環(huán)境中針對機械振動噪聲的采集與分析系統(tǒng)。此系統(tǒng)在智能儀器以及工業(yè)自動化等眾多領(lǐng)域中必將有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 蕭世文. USB2.0硬件設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.
[2]? 周立功.PDIUSBD12USB固件編程與驅(qū)動開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.
[3]? 張念淮. USB總線接口開發(fā)指南[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.
[4]? Philips Semiconductors. ISP1581 programming guide[Z].2004.
[5]? USB.org. Universal serial bus specification rev.2.0[Z].2006. http://www.usb.org/developers/docs/.
[6] 倪明輝. USB在FPGA控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 計算機測量與控制,2006,14(2).