基于FPGA和USB2．0的高速数据采集系统 数据采集, 科学研究, 测量, 工业, 接口

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　数据采集在现代工业生产及科学研究中的重要地位日益突出，对实时高速数据采集的要求也不断提高。在信号测量、图像处理、音频信号处理等一些高速、高精度的测量中，都要求进行高速、高精度的数据采集。这就对数据采集系统的设计提出两个方面的要求：一方面，要求接口简单灵活且有较高的数据传输率；另一方面，由于数据量通常都较大，要求主机能够对数据做出快速反应，并及时分析和处理。　　实现数据采集与传输，可选择如下3种方法：
　　①使用传统的串／并口。传统的串口(如RS232)，其传输速率为几十kb／s到100 kb／s，而系统所要求的数据传输速率很高，而且还要实现数据的采集与传输同步进行，串口的速率远远达不到实时要求；对于并口，虽然它的传输速率可达到1 Mb／s以上，但由于探测器与主机相距较远，因此走线比较复杂。
　　②采用通用的高速数据采集卡。高速数据采集卡(如ISA或PCI卡)虽然在数据存取速度上可满足系统要求，但仍然存在很多缺点，比如安装复杂，价格昂贵，兼容性不好，受计算机插槽数量、地址和中断资源的限制，可扩展性较差等。
　　③使用USB2．0通用串行接口总线。USB接口是一种重要的计算机外设接口，它支持热插拔和即插即用，使用非常方便。USB2．0支持高达480 Mbps的数据传输速率。USB接口可实现计算机与多个外围设备的简单、高速互联，将USB技术应用于数据采集是非常适合的。经综合考虑，本文选择采用USB2．0接口来完成对数据的采集与传输。
　　1 数据采集和传输系统方案设计
　　数据采集和传输系统主要由3部分组成，USB2．0通道、FPGA和A／D转换器组成，如图1所示。

　　CY7C68013是Cypress公司推出的EZ-USB FX2系列智能USB接口芯片。其作用是将主机所发送的命令序列经USB2．0端口输出，实现对数据采集系统的控制；同时把A／D转换器采集的数据以高速的数据序列形式发送到主机。其中，USB2．0端口提供一个能和计算机连接的数据传输接口。
　　FPGA利用内部的SRAM提供数据输入／输出的双缓冲功能。采用双缓冲的原因同USB中的大端点所配置的双缓冲类似，均是防止数据的溢出和保证数据传输的连续性。本文选用Altera公司的CycIone系列芯片EP1C3T144。
　　A／D转换器将所要采集的模拟量转换成数字量，通过滤波和放大后，由FPGA接收、缓冲、存储，经USB2．0端口传回至主机工作站。高速A／D转换器采用转换速率为20 MHz的MAX1425。
　　系统工作过程为：主机通过CY7C68013给数据采集系统一个采样控制命令，存入FPGA的控制寄存器中。FPGA根据该命令向A／D转换器发出相应控制信号。由于ADC采样频率为10 MHz，为和PC运行速度相匹配，在FPGA内部生成一个FIFO缓存器。A／D转换器在FPGA的ADC接口控制电路控制下，把模拟信号转换成数字信号，并将指定通道的采样数据存入FPGA内部FIFO缓存。同时，FPGA的USB接口控制逻辑查询CY7C68013是否空闲，如果空闲，那么由FPGA的USB接口控制逻辑将指定通道的采样结果，从FPGA内部FIFO缓存送入CY7C68013的内部FIFO。当内部的FIFO容量达到一定程度后，CY7C68013自动将数据打包传送到PC机。由于固件程序把CY7C68013设置为特定的自动模式，因此CY7C68013把数据送往PC机期间的所有操作无需CY7C68013中CPU的干预，从而保证足够的数据传输速率。采样过程中FPGA的USB接口控制逻辑依次取走批量数据，在USB接口打包传送时A／D转换持续进行，FPGA内部FIFO也被持续写入转换结果。
　　2 硬件设计
　　系统的硬件由A／D转换电路、数据采集与传输控制电路和接口电路构成。
　　2．1 A／D转换电路
　　A／D转换电路是整个系统的重要组成部分。由低通滤波器、多路选择开关和A／D转换器构成，如图2所示。本文选用Maxim公司的A／D转换芯片MAX1425。

　　8路模拟输入信号分别经过由运放THS4052构成的抗混叠低通滤波器去除高频成分，防止信号产生“混叠现象”。1／8模拟信号选择器根据来自FPGA板的地址码，控制模拟信号选择器74HC4051选通8路输入中的1路到输出端，送到A／D转换器MAX1425将模拟信号转换为数字信号。MAX1425的控制信号由FPGA板提供，在控制信号的作用下以适当的时序完成转换工作。
　　2．2 数据采集与传输控制电路
　　数据采集与传输控制电路的开发工作主要集中在FPGA上。FPGA负责CY7C68013与ADC芯片之间的缓冲与控制，一边与ADC接口，另一边与USB接口，产生数据采集、通道切换、A／D转换、FIFO所需的全部控制信号；实现对传输数据的缓存、读／写控制、时钟、输出使能、端点的选择，以及对ADC的控制等功能。
　　如图3所示，数据采集与传输控制电路由FIFO、USB接口控制状态机、ADC接口控制状态机、三态门缓冲器、控制寄存器组几部分构成。图中，由右向左的宽箭头表示数据流；FD[9：0]是与USB接口芯片连接的双向数据总线；由左向右的宽箭头表示传送来自PC机的控制信号；单线箭头表示输入／输出，以及FPGA内部各个模块间的控制信号线。