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具有USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集卡設計
摘要：討論基于USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設計與實現(xiàn)。詳細講述數(shù)據(jù)采集卡的硬件部分設計，并簡要介紹固件程序、驅動程序和應用軟件的設計。引言
數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及科學研究中的重要地位日益突出，并且實時高速數(shù)據(jù)采集的要求也不斷提高。在信號測量、圖像處理、音頻信號處理等一些高速、高精度的測量中，都需要進行高速數(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，比如安裝麻煩，價格昂貴，尤其是受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差。
通用串行總線USB是用來連接外圍設備與計算機之間的新式標準接口總線。它是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價的并可以實現(xiàn)熱拔插的串行接口。USB技術是為實現(xiàn)計算機和通信集成而提出的一種用于擴充PC體系結構的工業(yè)標準。基于USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡，充分利用了USB總線的優(yōu)點，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”。它支持在主機與各式各樣即插即用的外設之間進行數(shù)據(jù)傳輸。它由主機預定傳輸數(shù)據(jù)的標準協(xié)議，在總線上的各種設備分享USB總線帶寬。當總線上的外設和主機在運行時，允許自由添加、設置、使用以及拆除一個或多個外設。USB總線技術的提出就是想利用單一的總線技術，來滿足多種應用領域的需要。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對打印機和其它需要快速傳遞大容量數(shù)據(jù)的外設更具吸引力。
為了滿足實際數(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)是一個主從系統(tǒng)，而非對等（peer-to-peer）系統(tǒng)。在主從系統(tǒng)中，命令是由主設備發(fā)出，而從設備只能接收命令，只有在主設備讀取數(shù)據(jù)時，從設備才能提交數(shù)據(jù)。如圖1所示，在USB控制器與外圍電路之間需要一個FIFO，來充當數(shù)據(jù)的緩存區(qū)。那么，在USB從設備向主設備發(fā)送數(shù)據(jù)時存在一個問題：FIFO多大才能滿足要求。為了滿足數(shù)據(jù)采集中高速實時流數(shù)據(jù)垢應用，避免FIFO溢出，在我們的系統(tǒng)中，通過FPGA及SDRAM構造一個容量的FIFO（圖1虛線框內(nèi)所示），可以提供一個低成本并能滿足高速實時流數(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），增強型的8051內(nèi)核以及可編程的外圍接口。FX2系列芯片獨特的結構使得數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達56Mbps，最大限度地滿足了USB2.0的帶寬。
EZ-USB FX2的微處理器是一個增強型的8051內(nèi)核，性能可達標準8051的5～10倍，并與標準8051的指令完全兼容。增強型的8051內(nèi)核使用RAM世馘 作程序指令和數(shù)據(jù)存儲器，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現(xiàn)所需的功能。EZ-USB FZ2使用增強型SIE/USB接口（稱為USB核），通過執(zhí)行USB部本身的協(xié)議來簡化8051代碼編寫的工作。這樣采用硬件完成USB塄，簡化了固件代碼的編制。對于固件代碼的使用，主機通過軟件下載的方法實現(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，用戶并不需要斷天設備就可以裝載新的描述符。設備描述符和8051程序代碼都能通過主機中的磁盤文件下載，只有制造商號、產(chǎn)品號和設備號從啟動時從一個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升級軟件和修改USB總線設備的固件代碼。
EZ-USB FX2的通用可編程接口GPIF以及Master/Slave端點FIFO所對應的8/16位數(shù)據(jù)總線，可以很容易地實現(xiàn)FX2與當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個端點，端點0，端點1和IN和OUT，還有端點2、4、6和8。其中，前3個端點的大小是固定的64字節(jié)，后4個端點默認大小是2級512字節(jié)的FIFO，端點2和端點4默認是OUT端點，端點6和端點8默認是IN端點，而端點2和6分別可以定義為2級、3級或4級的存儲器，每級的大小也可以是512字節(jié)或1024字節(jié)。從EZ-USB FX2方向來看，一個端點相當于通過總線收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，EZ-USB FX2從OUT緩沖區(qū)中讀取端點數(shù)據(jù)，將通過USB傳的端點數(shù)據(jù)寫入IN緩沖區(qū)。它求全責備速（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）和等時傳輸方式（isochronous mode）。
EZ-USB FX2系列是基于RAM的“軟”結構，在開發(fā)過程中允許無限制設置和升級；它支持全速USB總線吞吐量的傳輸，使用EZ-USB FX2進行設計，可以不受端點數(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，簡化了編碼，同時也加快了對U
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