基于USB2.0的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：介紹基于USB2.0協(xié)議、最多可四路同步采樣的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其單通道采樣速度620ksps，四通道同時采樣速度可達(dá)180ksps。USB接口控制及通信芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013，通過對其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部FIFO的有效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采樣。關(guān)鍵詞：USB2.0協(xié)議 同步數(shù)據(jù)采集 CY7C68013 可編程控制接口 FIFO
ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）總線是ＩＮＴＥＬ、ＮＥＣ、ＭＩＣＲＯＳＯＦＴ、ＩＢＭ等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線接口規(guī)范。為了適應(yīng)高速傳輸?shù)男枰�，２０００年４月，這些公司在原１．１協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂了ＵＳＢ２．０傳輸協(xié)議，已超過了目前ＩＥＥＥ１３９４接口４００Ｍｂｐｓ的傳輸速度，達(dá)到了４８０Ｍｂｐｓ。ＵＳＢ總線使用簡單，支持即插即用ＰｎＰ（Ｐｌｕｇ Ａｎｄ Ｐｌａｙ），一臺主機(jī)可串連１２７個ＵＳＢ設(shè)備。設(shè)備與主機(jī)之間通過輕便、柔性好的ＵＳＢ線纜連接，最長可達(dá)５ｍ，使設(shè)備具有移動性，可自由掛接在具有ＵＳＢ接口的運(yùn)行在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／ＮＴ平臺的ＰＣ機(jī)上。ＵＳＢ總線已被越來越多的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和用戶自定義外設(shè)所使用，如鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀、音箱等。
筆者結(jié)合設(shè)備檢測中數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了該高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)最多可四路同步采樣，單通道采樣速度可達(dá)６２０ｋｓｐｓ，四通道同時采樣速度可達(dá)１８０ｋｓｐｓ。ＵＳＢ接口控制芯片采用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司ＦＸ２系列中的ＣＹ７Ｃ６８０１３，通過對其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部ＦＩＦＯ的有效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采樣和傳輸。
１ 基本原理
該采集系統(tǒng)總體框架分三部分：主機(jī)（能支持ＵＳＢ２．０協(xié)議的ＰＣ機(jī)）、內(nèi)部包含ＣＰＵ及高速緩存的ＵＳＢ接口控制芯片（ＣＹ７Ｃ６８０１３）和高速同步采樣芯片（ＭＡＸ１１５），如圖１所示。其數(shù)據(jù)傳輸分兩部分：控制信號傳輸和采集數(shù)據(jù)傳輸。控制信號方向?yàn)橛芍鳈C(jī)到外設(shè)，由外設(shè)ＣＰＵ控制，數(shù)據(jù)量較�。徊杉降臄�(shù)據(jù)由外設(shè)到主機(jī)，數(shù)據(jù)量較大。為了保證較高的傳輸速度，不經(jīng)過ＣＰＵ。系統(tǒng)基本操作過程為：主機(jī)給外設(shè)一個采樣控制信號，ＦＸ２根據(jù)該信號向Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器送出相應(yīng)控制信號，即采樣模式控制字；之后由Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器自主控制轉(zhuǎn)換，并將各通道采樣數(shù)據(jù)存入其片內(nèi)緩存。一旦轉(zhuǎn)換完成，由Ａ／Ｄ的完成位向ＦＸ２的可編程控制接口發(fā)讀采樣結(jié)果信號；然后由可編程接口的控制邏輯依次將各通道采樣結(jié)果從Ａ／Ｄ的緩存讀入ＦＸ２的內(nèi)部ＦＩＦＯ。當(dāng)ＦＩＦＯ容量達(dá)到指定程度后，自動將數(shù)據(jù)打包傳送給ＵＳＢ總線。期間所有操作不需要ＣＰＵ的干預(yù)。采樣過程中接口控制邏輯依次取走批量數(shù)據(jù)，在打包傳送時Ａ／Ｄ仍持續(xù)轉(zhuǎn)換，內(nèi)部ＦＩＦＯ也持續(xù)寫入轉(zhuǎn)換結(jié)果。只要內(nèi)部ＦＩＦＯ寫指針和讀指針位置相差達(dá)到指定的值就立即取走數(shù)據(jù)。從而保證了同步連續(xù)高速采集的可靠性。
２ 硬件部分
２．１ 芯片介紹
ＣＹ７Ｃ６８０１３屬于Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＦＸ２系列產(chǎn)品，它提供了對ＵＳＢ２．０的完整解決方案。該芯片包括帶８ＫＢ片內(nèi)ＲＡＭ的高速ＣＰＵ、１６位并行地址總線＋８位數(shù)據(jù)總線、Ｉ２Ｃ總線、４ＫＢ ＦＩＦＯ存儲器以及通用可編程接口（ＧＰＩＦ）、串行接口引擎（ＳＩＥ）和ＵＳＢ２．０收發(fā)器。在代碼的編寫上，與８０５１系列單片機(jī)兼容，且速度是標(biāo)準(zhǔn)８０５１的３～５倍。
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