基于USB2.0的同步高速數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)方案及其軟硬件的設(shè)計(jì)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(shí)重點(diǎn)介紹CPIP及其驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(diǎn)，成為PC機(jī)與外設(shè)連接的普遍標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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)膱龊希С?80Mbps的傳輸速度，并向下完全兼容USBl．1協(xié)議。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)遇到一些突發(fā)信號，需要對其進(jìn)行高速采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行高速傳輸，所以USB2．0標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)開發(fā)了一套符合USB2．0標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)功能十分強(qiáng)大的GPIF(General Programmable Interface)模塊。后者相當(dāng)于一個(gè)可編程狀態(tài)機(jī)，正是由于它的存在，使得CY7C68013比其它同類芯片具有強(qiáng)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(diǎn)如下：
·CY7C68013內(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型的51內(nèi)核，其指令集與標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容，并且在多方面有所改進(jìn)。例如：最高工作頻率可達(dá)48MHz，一個(gè)指令周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，兩個(gè)UART接口，三個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)I2C接口引擎等。
·CY7C68013提供了一個(gè)串行接口引擎(SIE)，負(fù)責(zé)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(shè)的互聯(lián)需要，芯片中集成了一個(gè)GPIF模塊，讓用戶可以按照外設(shè)的時(shí)序進(jìn)行波形編輯，而不需要復(fù)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(shí)現(xiàn)芯片與高速外圍設(shè)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(dāng)友好的。筆者就是利用這一特性，實(shí)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(gè)獨(dú)立的快速ADC模塊(允許同時(shí)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(zhǔn)以及一個(gè)12位的高速并行接口。芯片正常運(yùn)行時(shí)功耗只有60mW，當(dāng)使用節(jié)電方式時(shí)，只有50μW，對于自帶電源的USB設(shè)備這種低功耗無疑是一種優(yōu)點(diǎn)。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)ADC都有一個(gè)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(dāng)一個(gè)CONVST信號到來時(shí)，同時(shí)轉(zhuǎn)換地址A0選中的兩路信號。
2．2 AD7862的控制時(shí)序
AD7862的控制時(shí)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(shí)現(xiàn)圖3所示的時(shí)序控制。其中CONVST是轉(zhuǎn)換開始啟動(dòng)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(shí)，讀出第一組ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)；在第二次為高電平時(shí)，讀出第二組ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。使用AD7862值得注意的一點(diǎn)是該芯片提供了電源管理功能，當(dāng)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(jìn)入休眠模式。這時(shí)芯片的功耗只有50μW。這一點(diǎn)對于現(xiàn)在的便攜式設(shè)備十分重要。
3 同步高速數(shù)據(jù)采集器的硬件設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集卡一般都采用PCI總線設(shè)計(jì)，但是筆記本電腦以及大部分便攜式設(shè)備是沒有PCI插槽的。利用USB2．0技術(shù)，不僅保證了較高的數(shù)據(jù)傳輸率(傳輸率最大可以達(dá)到480Mbps)，同時(shí)還具有便攜和無需外加電源等優(yōu)點(diǎn)。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(biāo)進(jìn)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(dāng)采集一定量的數(shù)據(jù)后，CY7C68013自動(dòng)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(jī)中進(jìn)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(shí)間內(nèi)，對控制進(jìn)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(shè)進(jìn)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(jì)算機(jī)上，大大方便了新近推出的筆記本電腦與傳統(tǒng)外設(shè)之間的聯(lián)系。因?yàn)樾陆瞥龅墓P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(jìn)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(shí)從I2C總線自動(dòng)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(jìn)行功能擴(kuò)展也是很方便的，例如增加一個(gè)GPIB數(shù)據(jù)口等。
4 軟件設(shè)計(jì)
USB設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)包括三方面：固件設(shè)計(jì)、硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及高級應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。
4．1 固件(firmware)設(shè)計(jì)
Cypress公司為CY7C68013提供了一個(gè)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
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