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具有USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)
摘要：討論基于USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)講述數(shù)據(jù)采集卡的硬件部分設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)要介紹固件程序、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。引言
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，并且實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集的要求也不斷提高。在信號(hào)測(cè)量、圖像處理、音頻信號(hào)處理等一些高速、高精度的測(cè)量中，都需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，這些采集卡存在很多缺點(diǎn)，比如安裝麻煩，價(jià)格昂貴，尤其是受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴(kuò)展性差。
通用串行總線USB是用來連接外圍設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的新式標(biāo)準(zhǔn)接口總線。它是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價(jià)的并可以實(shí)現(xiàn)熱拔插的串行接口。USB技術(shù)是為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和通信集成而提出的一種用于擴(kuò)充PC體系結(jié)構(gòu)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)�；赨SB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡，充分利用了USB總線的優(yōu)點(diǎn)，它也必將被越來越多的用戶所接受。
1 USB數(shù)據(jù)采集卡原理
1.1 USB簡(jiǎn)介
USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它支持在主機(jī)與各式各樣即插即用的外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它由主機(jī)預(yù)定傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在總線上的各種設(shè)備分享USB總線帶寬。當(dāng)總線上的外設(shè)和主機(jī)在運(yùn)行時(shí)，允許自由添加、設(shè)置、使用以及拆除一個(gè)或多個(gè)外設(shè)。USB總線技術(shù)的提出就是想利用單一的總線技術(shù)，來滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需要。USB1.1協(xié)議支持兩種傳輸速度，即低速1.5Mbps和高速12Mbps。為了在高速接口之爭(zhēng)中占有一席之地，2000年發(fā)布了USB2.0協(xié)議，它向下兼容USB1.1協(xié)議，數(shù)據(jù)的最高傳輸速率提高到480Mbps，這就使USB對(duì)打印機(jī)和其它需要快速傳遞大容量數(shù)據(jù)的外設(shè)更具吸引力。
為了滿足實(shí)際數(shù)據(jù)采集USB傳輸速度較高的需要，選擇了Cypress公司的內(nèi)置USB接口微控制器芯片EZUSB FX2系列，開發(fā)了具有USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡。
1.2 系統(tǒng)框圖
USB系統(tǒng)是一個(gè)主從系統(tǒng)，而非對(duì)等（peer-to-peer）系統(tǒng)。在主從系統(tǒng)中，命令是由主設(shè)備發(fā)出，而從設(shè)備只能接收命令，只有在主設(shè)備讀取數(shù)據(jù)時(shí)，從設(shè)備才能提交數(shù)據(jù)。如圖1所示，在USB控制器與外圍電路之間需要一個(gè)FIFO，來充當(dāng)數(shù)據(jù)的緩存區(qū)。那么，在USB從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)存在一個(gè)問題：FIFO多大才能滿足要求。為了滿足數(shù)據(jù)采集中高速實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)垢應(yīng)用，避免FIFO溢出，在我們的系統(tǒng)中，通過FPGA及SDRAM構(gòu)造一個(gè)容量的FIFO（圖1虛線框內(nèi)所示），可以提供一個(gè)低成本并能滿足高速實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案。
圖2
2 USB數(shù)據(jù)采集卡硬件
2.1 EZ-USB FX2（CY7C68013）芯片
Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是最早符合USB2.0協(xié)議的微控制器之一，它集成了符合USB2.0協(xié)議的收發(fā)器（transceiver），串行接口引擎（SIE），增強(qiáng)型的8051內(nèi)核以及可編程的外圍接口。FX2系列芯片獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)56Mbps，最大限度地滿足了USB2.0的帶寬。
EZ-USB FX2的微處理器是一個(gè)增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，性能可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)8051的5～10倍，并與標(biāo)準(zhǔn)8051的指令完全兼容。增強(qiáng)型的8051內(nèi)核使用RAM世馘 作程序指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而使得EZ-USB FX2具有“軟”特性，也就是說，可以通過自行編寫程序指令來實(shí)現(xiàn)所需的功能。EZ-USB FZ2使用增強(qiáng)型SIE/USB接口（稱為USB核），通過執(zhí)行USB部本身的協(xié)議來簡(jiǎn)化8051代碼編寫的工作。這樣采用硬件完成USB塄，簡(jiǎn)化了固件代碼的編制。對(duì)于固件代碼的使用，主機(jī)通過軟件下載的方法實(shí)現(xiàn)。這種方法充分利用FZ2內(nèi)部的8KB RAM來裝載8051代碼和數(shù)據(jù)。由于EZ-USB FZ2具有重新枚舉的能力，所以在初始化枚舉時(shí)，用戶并不需要斷天設(shè)備就可以裝載新的描述符。設(shè)備描述符和8051程序代碼都能通過主機(jī)中的磁盤文件下載，只有制造商號(hào)、產(chǎn)品號(hào)和設(shè)備號(hào)從啟動(dòng)時(shí)從一個(gè)16字節(jié)的EEPROM下載到硬件中的。通過這種方式，可以比較容易地從主機(jī)升級(jí)軟件和修改USB總線設(shè)備的固件代碼。
EZ-USB FX2的通用可編程接口GPIF以及Master/Slave端點(diǎn)FIFO所對(duì)應(yīng)的8/16位數(shù)據(jù)總線，可以很容易地實(shí)現(xiàn)FX2與當(dāng)前一些主流通過接口（如ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和大部分DSP處理器）的互連。它共有7個(gè)端點(diǎn)，端點(diǎn)0，端點(diǎn)1和IN和OUT，還有端點(diǎn)2、4、6和8。其中，前3個(gè)端點(diǎn)的大小是固定的64字節(jié)，后4個(gè)端點(diǎn)默認(rèn)大小是2級(jí)512字節(jié)的FIFO，端點(diǎn)2和端點(diǎn)4默認(rèn)是OUT端點(diǎn)，端點(diǎn)6和端點(diǎn)8默認(rèn)是IN端點(diǎn)，而端點(diǎn)2和6分別可以定義為2級(jí)、3級(jí)或4級(jí)的存儲(chǔ)器，每級(jí)的大小也可以是512字節(jié)或1024字節(jié)。從EZ-USB FX2方向來看，一個(gè)端點(diǎn)相當(dāng)于通過總線收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，EZ-USB FX2從OUT緩沖區(qū)中讀取端點(diǎn)數(shù)據(jù)，將通過USB傳的端點(diǎn)數(shù)據(jù)寫入IN緩沖區(qū)。它求全責(zé)備速（12 Mbps）和高速（480 Mbps）傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸方式，即控制方式（control mode）、中斷傳輸方式（interrupt mode）、批量傳輸方式（bulk mode）和等時(shí)傳輸方式（isochronous mode）。
EZ-USB FX2系列是基于RAM的“軟”結(jié)構(gòu)，在開發(fā)過程中允許無限制設(shè)置和升級(jí)；它支持全速USB總線吞吐量的傳輸，使用EZ-USB FX2進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以不受端點(diǎn)數(shù)、緩沖區(qū)大小和傳輸速度的限制；此外，其內(nèi)核中做了大量的輔助指令，簡(jiǎn)化了編碼，同時(shí)也加快了對(duì)U
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