基于USB接口的数据采集系统的设计 数据采集, 电源线, 电缆线, 信号线, 通用

Bazinga

1 系统简介
通用串行总线（USB）支持热插拨，真正的即插即用。USB1.1在全速传输时可以达到12Mbps的传输速率；低速传输时传输速率可达1.5Mbps。USB电缆线只有4根，两根是电源线，传送5V电源，可用来向设备供电；另外两根是信号线，用来传输串行数据。与传统的RS－232串口比较，USB具有传输速度更快、集成化程度更高、编程化更好以及能够支持多个设备等优点。因此在我们的设计中用它来和主机接口实现高速的数据通信。

在数据采集系统中，通常采用单片机或DSP(数字信号处理器)作为CPU,控制ADC（模/数转换器）、存储器和其他外围电路的工作。但是单片机的时钟频率较低，难以适应高速数据采集系统的要求，而DSP虽然可以实现较高速的数据采集，但其速度提高的同时也提高了系统的成本。FPGA（现场可编程门阵列）有单片机和DSP无法比拟的优势：时钟频率高，内部时延小；全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高；组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口电路。因此，在本系统中我们用FPGA来控制A/D和USB芯片的运行。系统结构图如图1所示。





图中FPGA采用ALTERA公司生产的APEX 1k系列芯片，型号为EP1K30，通过在EPGA中编写硬件逻辑控制A/D转换器的运行；实现A/D转换器和USB 控制芯片间数据传输的数据总线接口。除此之外，为了保证EPGA和USB控制芯片间数据交互过程的实现，必须在FPGA中提供一个用于传输通信双方控制和状态信息的GPIO接口。

2 A/D转换环节

在该系统中我们采用TI公司的ADS7800。它是12位并行模数转换器[2]，接口简单，很容易控制，最大采样率可达333kHz，输入的电压范围为－10V～＋10V或－5V～＋5V。ADS7800芯片的数字接口比较简单，可以很方便地与其它数字系统相连接。对此芯片地控制有完全控制模式（full control mode ）和孤立控制磨蚀（stand-alone control mode ）两种控制方法。

在本系统中，对ADS7800芯片的控制是通过在FPGA芯片中编写控制逻辑来实现的。我们采用了孤立控制模式，在此控制模式下，输出数字信号是12位并行的。

利用FPGA芯片的可编程性可以使用芯片中的12个IO脚作为数据总线，另使用一些IO脚作为ADS7800的控制信号输入，控制模/数变换器以32kHz的速率对模拟输入信号进行采样，采样的数据存入FPGA的RAM中。本系统中所使用的FPGA芯片型号为EP1K30QC208-3，它具有着良好的特性，芯片内部共有3万个逻辑门，容量相当大；6个嵌入式阵列块，可是现最大为3k字节的RAM存储器。

3 系统的设计与实现

3.1 USB接口芯片介绍

在设计中，我们选取Cyprees公司的EZ-USB系列芯片来实现USB接口设备方的控制。它是一款带有多个外设、高度集成的芯片，其功能框图如图2所示。一个集成的USB收发器（transceiver）连接USB总线的D＋和D－。串行接口引擎（SIE）对总线上的数据进行编/解码、错误检测、位填充以及USB规范规定的其它信号级操作的实现，并且最终把数据收或发到USB接口部分。





内部的微处理器是8051单片机的增强型，提高了执行速度并增加了一些新的特性。它使用内部RAM作为程序和数据存储器；带有16位地址线和8位数据线用来访问外部存储器，特有的快速传输模式可以在外部逻辑和内部USB FIFO间快速地传递数据。

3.2 USB总线数据通信解决方案

在实现数据通信解决方案时，为完成数据流地正常传输，所建立的硬件平台必须能够提供两个接口。首先必须要有一个实现数据传输的数据总线接口；除此之外，为了保证数据交互过程的正常实现，必须提供一个用于传输通信双方控制和状态信息的GPIO接口。

AN2135SC芯片提供了EZ-USB系列芯片的所有接口和功能。在本系统中，我们将利用这款芯片和FPGA芯片配合工作，建立一个基于USB总线接口的数据通信解决方案，以实现将采样信号输出到上位机中的功能。

在此解决方案中，我们选择AN2135SC芯片工作在快速数据传输模式下的8位并行数据总线D[7…0]作为数据传输的总线接口；选择AN2135SC芯片中的通用I2C总线主控制器接口作为数据通信过程中进行控制和状态信息传输的GPIO接口。这样，芯片中的一般GPIO引脚就可以用来实现其它功能，方便了系统的进一步扩充。图3所示为AN2135SC芯片与FPGA芯片的接口示意图。

为了使AN2135SC芯片中快速数据传输模式下的数据总线D[7…0]和通用I2C主控制器分别完成流数据传输和控制状态信息传输的功能，需要在芯片的8051核中编写程序，对AN2135SC芯片内部相关的专用寄存器进行配置[3]。





3.3 FPGA的独特配置方案

FPGA芯片是一种基于SRAM工艺制作的可编程器件，其编程数据存储于器件的SRAM存储器内。这是一种易失性的存储器，在系统掉电时，FPGA芯片中的逻辑将会丢失，芯片功能随即消失，上电后需要重新对其进行配置。利用此功能可以灵活地改变FPGA芯片中的逻辑结构。这是一种动态配置过程，这种方式称为ICR方式（in circuit reconfigurable）。

本系统中对FPGA的配置采用PS（passive serial，即被动串行）方式。通常采用的是以下两种配置方法：配置数据来自于ALTERA公司生产的串行配制器件或系统控制器，如EPC16等，系统上电时可对ACEX1K系列芯片进行配置；配置逻辑也可以通过ALTERA公司生产的Master Blaster、Byte Blaster MV或Bitblaster下载电缆进行手工下载。但是前者会增加系统的成本，而后者又很不方便。