基于USB總線的高速數據采集系統
摘要：介紹了一種基于ＵＳＢ總線的高速數據采集系統，討論了ＵＳＢ控制器ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２?ＣＹ７Ｃ６８０１３?的性能及傳輸方式?給出了該系統的硬件和基于ＧＰＩＦ主控方式實現數據傳輸的軟件設計方法。１ 引言
現代工業生產和科學研究對數據采集的要求日益提高。目前比較通用的是在ＰＣ或工控機內安裝數據采集卡（如Ａ／Ｄ卡及４２２、４８５卡）。但這些數據采集設備存在以下缺陷：安裝麻煩、價格昂貴、受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差，同時在一些電磁干擾性強的測試現場，可能無法專門對其作電磁屏蔽，從而導致采集的數據失真。
傳統的外設與主機的通訊接口一般是基于ＰＣＩ總線、ＩＳＡ總線或者是ＲＳ－２３２Ｃ串行總線。ＰＣＩ總線雖然具有較高的傳輸速度（１３２Ｍｂｐｓ），并支持“即插即用”功能，但其缺點是插拔麻煩，且擴展槽有限（一般為５～６個），ＩＳＡ總線顯然存在同樣的問題。ＲＳ－２３２Ｃ串行總線雖然連結簡單，但其傳輸速度慢（５６ｋｂｐｓ），且主機的串口數目也有限。
通用串行總線（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ，簡稱ＵＳＢ）是１９９５年康柏、微軟、ＩＢＭ、ＤＥＣ等公司為了解決傳統總線的不足，而推出的一種新型串行通信標準。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優點，已經逐漸成為現代數據傳輸的發展趨勢。基于ＵＳＢ的數據采集系統充分利用ＵＳＢ總線的上述優點，有效地解決了傳統數據采集系統的缺陷。ＵＳＢ的規范能針對不同的性能價格比要求提供不同的選擇，以滿足不同的系統和部件及相應不同的功能，從而給使用帶來極大方便。
２ 系統介紹
２．１ 數據采集系統的結構與功能
常見的數據采集系統的硬件總體結構如圖１所示。其中數據采集接口卡是硬件部分的核心，它包括Ａ／Ｄ轉換器、微控制器、ＵＳＢ通信接口等。
在高速數據采集系統中?由于現場輸入信號是高頻模擬信號，因而信號的變化范圍都比較大?如果采用單一的增益放大?那么放大以后的信號幅值有可能超過Ａ／Ｄ轉換的量程?所以必須根據信號的變化相應地調整放大器的增益。在自動化程度較高的系統中?希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益?ＡＤ８３２１正是這樣一種具有增益可編程功能的芯片。ＡＤ８３２１是美國ＡＤ公司生產的一種增益可編程線性驅動器。它具有頻帶寬、噪聲低、增益可編程且易于與單片機進行串行通信等優點，十分適合在數據采集系統中做前置放大。
經過調理后的信號可送入模／數變換器（ＡＤＣ）進行Ａ／Ｄ變換。筆者選用的ＡＤＣ是ＴＬＣ５５４０，它是一種高速８位模擬數字轉換器，能以高達每秒４０Ｍ的采樣速率進行轉換，由于采用半閃速結構和ＣＭＯＳ工藝制造，因此功耗和成本很低。其７５ＭＨｚ（典型值）的模擬輸入帶寬使該器件成為欠采樣應用的良好選擇。該器件帶有內部電阻，可用于從５Ｖ電源產生２Ｖ滿度的基準電壓，以減少外部元件數。數字輸出置于高阻方式。它僅需要５Ｖ電源工作，可由ＵＳＢ總線供電。
由于數據采集接口卡是硬件部分的核心，因此應選擇能適用ＵＳＢ協議的合適芯片。ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２是一種ＵＳＢ２．０集成微控制器。它的內部集成了ＵＳＢ２．０收發器、串行接口引擎（ＳＩＥ）、增強的８０５１微控制器和一個可編程的串行接口。其主要特性如下：
●帶有加強的８０５１內核性能，可達到標準８０５１的５～１０倍，且與標準８０５１的指令完全兼容；
●集成度高，芯片內部集成有微處理器、ＲＡＭ、ＳＩＥ（串行接口引擎）等多個功能模塊，從而減少了多個芯片接口部分需要時序配合的麻煩；
●采用軟配置，在外設未通過ＵＳＢ接口接到ＰＣ機之前，外設上的固件存儲在ＰＣ上；而一旦外設連接到ＰＣ機上，ＰＣ則先詢問外設是“誰”（即讀設備描述符），然后將該外設的固件下載到芯片的ＲＡＭ中，這個過程叫做再枚舉。這樣，在開發過程中，當固件需要修改時，可以先在ＰＣ機上修改好，然后再下載到芯片中；
●具有易用的軟件開發工具，該芯片開發系統的驅動程序和固件的開發和調試相互獨立，可加快開發的速度。
圖2 USB接口示意圖
２．２ 方案選擇
ＦＸ２有三種可用的接口模式：端口、ＧＰＩＦ主控和從ＦＩＦＯ。
在“端口”模式下，所有Ｉ／Ｏ引腳都可作為８０５１的通用Ｉ／Ｏ口。
在“從ＦＩＦＯ”模式下，外部邏輯或外部處理器直接與ＦＸ２端點ＦＩＦＯ相連。在這種模式下，ＧＰＩＦ不被激活，因為外部邏輯可直接控制ＦＩＦＯ。這種模式下，外部主控端既可以是異步方式，也可以是同步方式，并可以為ＦＸ２接口提供自己的獨立時鐘。
“ＧＰＩＦ主控”接口模式使用ＰＯＲＴＢ和ＰＯＲＴＤ構成通向四個ＦＸ２端點ＦＩＦＯ（ ＥＰ２? ＥＰ４? ＥＰ６和ＥＰ８）的１６位數據接口。ＧＰＩＦ作為內部的主控制器與ＦＩＦＯ直接相連，并產生用戶可編程的控制信號與外部接口進行通信。同時，ＧＰＩＦ還可以通過ＲＤＹ引腳采樣外部信號并等待外部事件。由于ＧＰＩＦ的運行速度比ＦＩＦＯ快得多，因此其時序信號具有很好的編程分辨率。另外，ＧＰＩＦ既可以使用內部時鐘，也可以使用外部時鐘。故此，筆者選擇了ＧＰＩＦ模式。
高速數據采集卡的設計存在兩大難點：一是模擬信號的Ａ／Ｄ高速轉換；二是變換后數據的高速存儲及提取。對于第一個問題，由于制造ＡＤＣ的技術不斷進步，這個問題已經得到解決。而對于第二個問題，一般的數據采集系統是將Ａ／Ｄ轉換后的數據先存儲在外部數據存儲器中，然后再對其進行處理。對于高速數據采集而言，這種方式將嚴重影響采集速度，且存儲值也會受到很大限制。而改進方案是將Ａ／Ｄ轉換后的數據直接送至計算機內存，這樣，采集速度將大大提高，而且可存儲大量數據，以便于下一步的處理。
為了解決同步問題，可以由ＣＰＬＤ產生同步時鐘信號提供給ＡＤＣ和ＦＸ２。在本數據采集系統的設計中，ＣＰＬＤ同時還可用于產生不同的控制信號，以便對采樣進行實時控制。ＣＰＬＤ是復雜可編程邏輯器件，它包括可編程邏輯宏單元、可編程Ｉ／Ｏ單元和可編程內部連線。由于ＣＰＬＤ的內部資源豐富，因而可廣泛應用在數據采集、自動控制、通訊等各個領域。在本系統的設計中，筆者選用的
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