基于USB2.0與FPGA技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于USB2.0與FPGA技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

近年來筆記本電腦迅速普及和更新，其中大部分已經(jīng)不配置RS232接口，而USB接口已成為今后一段時(shí)間PC機(jī)與外設(shè)接口的主流。本采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)基于USB接口的多功能通用數(shù)據(jù)采集、傳輸平臺(tái)，將嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、靈活性和PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、顯示功能結(jié)合起來。該采集系統(tǒng)在智能儀器儀表、測(cè)控系統(tǒng)、工控系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括：單片機(jī)與USB接口模塊、FPGA模塊、信號(hào)調(diào)理及A/D模塊。其中，單片機(jī)外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單，整個(gè)系統(tǒng)主要通過PC機(jī)的程序界面控制操作；USB接口負(fù)責(zé)與PC機(jī)通信；FPGA模塊負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的采集與緩存。

　　1.2 單片機(jī)與USB接口模塊

　　本設(shè)計(jì)的目的是構(gòu)建以PC機(jī)為平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，單片機(jī)的功能僅限于接收PC機(jī)的命令、控制FPGA工作。PC機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)界面，控制整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和處理。由此單片機(jī)可以選擇低成本的8XC51系列。為了提高系統(tǒng)的靈活性，采用單片機(jī)與USB接口芯片分離的方案，選擇Philip公司的ISP1581 USB2.0接口芯片。該芯片與8XC51系列單片機(jī)的接口非常簡(jiǎn)單，可以極大地降低系統(tǒng)成本。

　　1.3 FPGA模塊

　　采用FPGA進(jìn)行采樣控制的最大特點(diǎn)是系統(tǒng)具有重構(gòu)性和通用性。設(shè)計(jì)中采用了Altera公司的低成本FPGA的Cyclone系列（實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，在更便宜的Acex1k器件上也可以實(shí)現(xiàn)），控制高速A/D芯片以20MSPS的速度采樣。FPGA模塊的設(shè)計(jì)具體包括FIFO、單片機(jī)接口、A/D控制接口、DMA控制模塊和主控制器等子模塊的設(shè)計(jì)。

　　1.4 PC機(jī)端軟件平臺(tái)

　　PC機(jī)采集程序使用VC++實(shí)現(xiàn)，直接調(diào)用Philips公司提供的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，大大降低了開發(fā)難度與風(fēng)險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)中，PC機(jī)端軟件設(shè)計(jì)包括應(yīng)用程序的界面設(shè)計(jì)、多線程數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理模塊的設(shè)計(jì)，以及與USB底層驅(qū)動(dòng)程序的通信動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的設(shè)計(jì)。

2 USB接口模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 USB接口芯片

　　USB接口芯片ISP1581具有體積小、高速、與單片機(jī)的接口相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。除了控制端點(diǎn)外，ISP1581還有7個(gè)輸入（IN）端點(diǎn)和7個(gè)輸出（OUT）端點(diǎn)。每個(gè)端點(diǎn)可以靈活配置數(shù)據(jù)傳輸方式以及數(shù)據(jù)緩存區(qū)（FIFO）的大小，端點(diǎn)FIFO最大容量可以達(dá)到2KB。ISP1581芯片在配置枚舉時(shí)需要單片機(jī)固件的支持，一旦正確完成了配置和驅(qū)動(dòng)加載，單片機(jī)對(duì)于ISP1581芯片就如同普通存儲(chǔ)器一樣可以進(jìn)行讀寫操作，以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

　　2.2 固件編程

　　USB通信完全由PC主機(jī)發(fā)起。在這種結(jié)構(gòu)下，固件總是一直在等待主機(jī)命令，再根據(jù)命令去執(zhí)行相應(yīng)的程序。固件的基本思想是采用模塊化設(shè)計(jì)，分成 main.c等7個(gè)模塊。ISP1581固件結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，main.c為主循環(huán)，isr.c主要負(fù)責(zé)中斷處理，Chap9.c主要負(fù)責(zé)響應(yīng)主機(jī)的請(qǐng)求。用戶的應(yīng)用程序?qū)硪部梢园ㄔ趍ain.c循環(huán)中。

　　2.3? 單片機(jī)端程序設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)端程序主要包括初始化模塊，外圍Flash、EEPROM、RAM、液晶顯示器、按鍵等的讀寫控制模塊,USB接口芯片固件模塊,A/D采樣工作模式、速度以及采樣數(shù)據(jù)的讀寫的FPGA硬件控制模塊等。本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是：充分利用PC機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)MCU端的要求盡量簡(jiǎn)化。具體軟件流程示意圖如圖3所示。

　　USB作為一個(gè)通信接口，首先必須完成配置，然后才能進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收，在循環(huán)中必須隨時(shí)檢查是否有主機(jī)的配置命令。配置枚舉過程是USB固件編程當(dāng)中較為復(fù)雜的部分，其流程如圖4所示。USB設(shè)備接入到主機(jī)并被主機(jī)識(shí)別后，主機(jī)首先以默認(rèn)的地址（00H）發(fā)送一個(gè)設(shè)置（SETUP）包，新接入的設(shè)備必須接收此包并響應(yīng)請(qǐng)求。然后主機(jī)會(huì)發(fā)送輸入包讀取設(shè)備描述符，初步判斷設(shè)備的屬性后，再設(shè)置設(shè)備的地址，隨后再用這個(gè)地址讀取設(shè)備的各種描述符以識(shí)別并且配置設(shè)備。可見，在設(shè)備配置過程中，主機(jī)讀取的數(shù)據(jù)較多，設(shè)備一旦接收到一個(gè)SETUP包之后便會(huì)判斷主機(jī)的請(qǐng)求類型，然后進(jìn)入請(qǐng)求處理循環(huán)等待主機(jī)的進(jìn)一步命令，如果再次收到一個(gè)IN令牌便會(huì)向控制端點(diǎn)中寫入數(shù)據(jù)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度再次寫端點(diǎn)直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。USB的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求包括讀取設(shè)備描述符、配置描述符、端點(diǎn)描述符、設(shè)置地址、配置設(shè)備等，廠商請(qǐng)求由用戶自行定義。

ISP1581接收到主機(jī)的數(shù)據(jù)后，將根據(jù)相應(yīng)的情況設(shè)置片內(nèi)的中斷寄存器標(biāo)志中斷源，然后向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。單片機(jī)響應(yīng)中斷后，首先讀取中斷標(biāo)志寄存器并判斷中斷源，然后設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。在用戶的發(fā)送/接收程序中，將根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)志產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。例如，主機(jī)發(fā)送一段數(shù)據(jù)給ISP1581，ISP1581接收、握手完畢后，設(shè)置中斷標(biāo)志并申請(qǐng)中斷。在用戶的任務(wù)中發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)接收的標(biāo)志，就可以讀出ISP1581中的數(shù)據(jù)。而ISP1581向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先是主機(jī)發(fā)送一個(gè)IN類型的令牌發(fā)起一次傳輸，如果此時(shí)ISP1581相應(yīng)端點(diǎn)的FIFO非空，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)，然后向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，響應(yīng)中斷以后如果還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則應(yīng)該向ISP1581的FIFO中寫入數(shù)據(jù)，否則直接清空中斷標(biāo)志即可。主機(jī)和數(shù)據(jù)采集器之間的握手配合要事先設(shè)計(jì)好。

　　根據(jù)輸入傳輸要求，在具體的設(shè)計(jì)中，除了主數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)外，還配置了一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為64字節(jié)的、工作于中斷傳輸方式的端點(diǎn)作為命令端口，負(fù)責(zé)與主機(jī)進(jìn)行通信握手。如果主機(jī)想從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，則首先發(fā)送一個(gè)讀取命令，單片機(jī)接收到該命令后，就向主數(shù)據(jù)端點(diǎn)的FIFO中寫入數(shù)據(jù)，隨后主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)令牌，正好有數(shù)據(jù)可以發(fā)送。通過命令端口還可以發(fā)送各種命令，控制數(shù)據(jù)采集器動(dòng)作。

3 FPGA數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

　　3.1 模塊劃分
　　
　　FPGA模塊劃分為A/D接口、FIFO、單片機(jī)接口、DMA接口控制、主控制器等模塊，其中設(shè)置了一些可以單片機(jī)寫入的寄存器。A/D的采集速度，F(xiàn)IFO的空、滿、數(shù)據(jù)寫入、讀出速度都可以靈活配置。整個(gè)模塊以Verilog語言寫成，稍加修改可以同各種A/D芯片接口。整個(gè)設(shè)計(jì)在Altera公司的Cyclone系列的EP1C12中完成。在ACEX1K系列EC1K100器件上也可以實(shí)現(xiàn)，工作時(shí)鐘頻率為50MHz。

　　為了提高系統(tǒng)的靈活性，在信號(hào)的調(diào)理、濾波模塊中使用了Lattice公司的ispPAC80可編程濾波器作為輸入濾波器，可以靈活地設(shè)定抗混疊濾波器的截止頻率，最大截至頻率可以達(dá)到750kHz，完全可以滿足一般中、高頻信號(hào)的濾波。FPGA作為A/D控制器可以同多種A/D芯片接口，本設(shè)計(jì)中使用了TI公司的10位高速A/D芯片TLC876。芯片工作于流水線方式，最高采樣速率為20MSPS。

　　3.2 與單片機(jī)及ISP1581的接口

　　FPGA在與單片機(jī)信號(hào)的接口過程中，使用了同步設(shè)計(jì)的方法。即首先對(duì)單片機(jī)的I/O信號(hào)進(jìn)行采樣同步化，獲得各信號(hào)上升、下降沿的時(shí)刻，輸出同步脈沖，然后在這些時(shí)刻點(diǎn)處根據(jù)同步脈沖的出現(xiàn)與否來控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以在設(shè)計(jì)中采用同步狀態(tài)機(jī)，以獲得較高的運(yùn)行速度和穩(wěn)定的工作性能。這也是ALTERA、XILINX等公司的FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所推薦使用的方法。

　　為了提高FPGA中的FIFO與ISP1581中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)交換速度，FPGA與ISP1581之間采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　ISP1581有兩種工作方式，由BUS_CONF、MODE0、MODE1三根引腳控制：

　　(1)如果上電時(shí)檢測(cè)到BUS_CONF引腳為低電平，則工作于分裂總線方式（Split Bus Mode）。ISP1581具有8-bit地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線和16-bit的DMA專用數(shù)據(jù)線。此時(shí)MODE1引腳如果為低電平，則可以將芯片的ALE/A0引腳與89X51的ALE腳直接相連，進(jìn)行地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用；而如果MODE1為高電平，則ALE/A0腳要接其他的89X51引腳，由用戶編程將ALE/A0腳拉高/低進(jìn)行地址/數(shù)據(jù)復(fù)用，而MODE0腳在這種方式下沒有使用或作為其他用途。

　　(2)如果上電時(shí)檢測(cè)到BUS_CONF引腳為高電平，則工作于通用處理器方式（Generic Processor Mode）。此時(shí)MODE1腳沒有使用（可接Vcc），MODE0引腳則可接低/高電平，這樣可以使芯片的讀/寫引腳分別符合Motorola/89X51微處理器的讀寫規(guī)范。所以讓ISP1581芯片工作于分裂總線方式可以方便地與8051系列單片機(jī)接口，其AD[7:0]作為數(shù)據(jù)/地址總線復(fù)用，RD、WE、ALE分別為讀、寫、地址鎖存線，DATA[15:0]作為DMA數(shù)據(jù)總線使用。

　　ISP1581芯片中與DMA相關(guān)的引腳有DREQ、DACK、DIOR、DIOW。DMA傳輸前必須設(shè)定工作模式、初始化DMA相關(guān)寄存器，然后對(duì)DMA命令寄存器寫入一個(gè)命令便可以啟動(dòng)DMA傳輸。傳輸模式有主、從、IDE、ATA等方式。通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)比較適合采用從模式，在這種模式下，單片機(jī)接收到主機(jī)發(fā)來的開始采集命令后，立即命令FPGA啟動(dòng)采樣，然后命令I(lǐng)SP1581啟動(dòng)DMA傳輸，ISP1581將DREQ引腳拉高，表示請(qǐng)求數(shù)據(jù)，此時(shí)FPGA將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，拉低DACK引腳，待準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，在DIOR線上產(chǎn)生讀脈沖，供ISP1581將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部FIFO。DMA也可以使用主模式，此時(shí)讀脈沖DIOR由ISP1581產(chǎn)生。DMA工作時(shí)序圖如圖6所示。

4 PC機(jī)多線程數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

　　USB的數(shù)據(jù)傳輸使用了虛擬管道的概念，可以同時(shí)接入127個(gè)設(shè)備。每個(gè)設(shè)備可以擁有若干個(gè)端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)可以跟主機(jī)組成一個(gè)連接，構(gòu)成一個(gè)通信的最小實(shí)體。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，只要帶寬允許，主機(jī)可以同時(shí)跟幾個(gè)端點(diǎn)通信，因此要求在主機(jī)的應(yīng)用程序中開啟多個(gè)線程進(jìn)行通信。在本設(shè)計(jì)中，采用了命令端點(diǎn)和數(shù)據(jù)端點(diǎn)分開的方式。命令端點(diǎn)配置成中斷或批量傳輸方式，在主機(jī)應(yīng)用程序中專門開啟一個(gè)線程同該端點(diǎn)進(jìn)行通信，開啟另外一個(gè)線程進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)傳輸，而兩個(gè)傳輸之間互相不影響。用戶界面使用另外的線程，這樣在傳輸過程中，應(yīng)用程序可以隨時(shí)響應(yīng)用戶的命令。在具體的設(shè)計(jì)中，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集開始命令即建立并且啟動(dòng)一個(gè)采集線程。在這個(gè)無限循環(huán)的線程函數(shù)中設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志變量，如果該變量為真，則線程函數(shù)繼續(xù)運(yùn)行；否則線程終止，停止采集。這樣用戶界面線程可以通過修改線程運(yùn)行標(biāo)志變量來控制線程的運(yùn)行。采用多線程采集程序的一個(gè)問題是線程函數(shù)必須是一個(gè)全局函數(shù)，不屬于任何一個(gè)類，這樣它就無法訪問類的私有成員或保護(hù)成員，解決這個(gè)問題的方法是：因?yàn)榫€程函數(shù)在創(chuàng)建時(shí)允許傳送一個(gè)指針參數(shù)給它，于是可以構(gòu)造一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)成員中包含一個(gè)指向類的指針。在創(chuàng)建線程時(shí)將想要訪問的類的指針包含在一個(gè)按前述定義的結(jié)構(gòu)變量中，并將該結(jié)構(gòu)的指針作為參數(shù)傳給線程函數(shù)。這樣就可以在線程函數(shù)中定義一個(gè)類對(duì)象，并把前述的類指針賦給它，通過類指針就可以訪問該對(duì)象中的所有成員了。在本設(shè)計(jì)中采用多線程程序設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)工作非常穩(wěn)定。

　　目前，國(guó)內(nèi)外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常用的接口方式有多種,如 RS232 串行口、并行口，ISA 總線、PCI總線等。這些總線接口雖各具優(yōu)點(diǎn)，但也都有其難以克服的缺點(diǎn)而被逐漸淘汰。USB接口具有連接方便、無需外接電源、即插即用、支持熱插拔、動(dòng)態(tài)加載驅(qū)動(dòng)程序等特有優(yōu)點(diǎn)，在主機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、快捷、可靠的連接和通信。本設(shè)計(jì)應(yīng)用ISP1581USB接口芯片與FPGA技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)使用靈活的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了PC機(jī)的大存儲(chǔ)量，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，高清晰的大屏幕顯示（相對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言），以及嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)與靈活性。目前正在使用此平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)在消聲室環(huán)境中針對(duì)機(jī)械振動(dòng)噪聲的采集與分析系統(tǒng)。此系統(tǒng)在智能儀器以及工業(yè)自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域中必將有廣泛的應(yīng)用前景。

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