NiosⅡ和USB接口的高速數據采集卡設計

發(fā)布時(shí)間:2010-11-8 15:13    發(fā)布者:eetech
關(guān)鍵詞: NIOS , USB , 接口 , 數據采集卡
隨著(zhù)現代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數據采集的要求日益提高,在瞬態(tài)信號測量、圖像信號處理等一些高速、高精度的測量中,都迫切需要進(jìn)行高速數據采集(如雷達信號分析、超音波信號分析);而進(jìn)行數字處理的先決條件是將所研究的對象數字化,因此數據采集與處理技術(shù)日益得到重視。在圖像信號處理、瞬態(tài)信號檢測、工業(yè)過(guò)程檢測和監控等領(lǐng)域,更是要求高速度、高精度、高實(shí)時(shí)性的數據采集與處理技術(shù),F在的高速數據采集處理卡一般采用高性能數字信號處理器(DSP)和高速總線(xiàn)技術(shù)的框架結構。DSP用于完成計算量巨大的實(shí)時(shí)處理算法,高速總線(xiàn)技術(shù)則完成處理結果或者采樣數據的快速傳輸。DSP主要采用TI和ADI公司的產(chǎn)品,高速總線(xiàn)可以采用ISA、PCI、USB等總線(xiàn)技術(shù)。其中PCI卡或ISA卡安裝麻煩,價(jià)格昂貴,受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制,可擴展性差,在一些電磁干擾性強的測試現場(chǎng),無(wú)法專(zhuān)門(mén)對其做電磁屏蔽,易導致采集的數據失真。通用串行總線(xiàn)USB是為解決傳統總線(xiàn)不足而推廣的一種新型的通信標準。該總線(xiàn)接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優(yōu)點(diǎn),已逐漸成為現代數據發(fā)展趨勢;赨SB的高速數據采集卡充分利用USB總線(xiàn)的上述優(yōu)點(diǎn),有效地克服了傳統高速數據采集卡的缺陷。

1 系統硬件設計

本系統主要是基于USB2.O的S1ave FIFO模式,在FPGA控制下完成雙通道、不同速率的數據的采集和發(fā)送,全兼容USB2.O總線(xiàn)接口標準,其數據的采樣率可高達65 Msps;適用于較高速動(dòng)態(tài)信號的實(shí)時(shí)記錄采集,其硬件系統總體結構框圖如圖1所示。




該系統主要由信號調理模塊、A/D轉換模塊、觸發(fā)模塊、基于FPGA的主控模塊、USB收發(fā)控制模塊、片外存儲器及其他輔助電路組成。調理電路與A/D轉換器,將傳感器采集的模擬信號進(jìn)行相關(guān)的信號調理后送入AD9244芯片轉換為數字信號。處理后的數據送往FPGA主控模塊,根據相關(guān)的控制信息,選擇通過(guò)直接傳輸給上位機,或者先存儲在外部SDRAM,然后經(jīng)過(guò)相關(guān)的數字處理后再傳輸給上位機。

2 系統模塊介紹

2.1 USB2.0專(zhuān)用微處理器CY7C68013A

CY7C68013A是Cypress Semiconductor公司生產(chǎn)的一款集成USB2.O的微處理器。它有3種封裝形式——56SSOP、100TQFP和128TQFP,其結構框圖如圖2所示。




CY7C68013集成了USB2.O收發(fā)器、SIE、增強的8051微控制器和可編程的外圍接口部件。其SIE可在全速(12 Mb/s)和高速(480 Mb/s)兩種模式下運行,同樣可以使用內部RAM來(lái)進(jìn)行程序和數據的存儲。GPIF和Master/Slave端口FIFO為ATA、UTOHA、EPP、PCM—CIA和DSP等提供了簡(jiǎn)單和無(wú)需附加邏輯的連接接口。其編程可以根據設計的需要進(jìn)行,不需要CPU的干預,只需通過(guò)CPU的一些標志和中斷即可進(jìn)行通信。CY7C68013共有7個(gè)輸入輸出端口:EP0、EPlOUT、EPlIN、EP2、EP4、EP6、EP8,其中EP2、EP4、EP6、EP8可以分別被配置為批量/中斷/同步傳輸模式,傳輸方向均可配置為I/O,端口EP2、EP6的緩沖區大小可編程為512或1 024字節,深度可編程為2/3/4倍大;端口EP4、EP8的緩沖區大小固定為512字節,深度為2倍,采用不同的配置方式,可實(shí)現特定帶寬和速率要求的數據傳輸。        

2.2 主控電路FPGA芯片

EP2C8Q208EP2C8Q208主控電路如圖3所示。




FPGA芯片也是一種特殊的ASIC芯片,屬于可編程邏輯器件,它是在PAL、GAL等邏輯器件的基礎上發(fā)展起來(lái)的。同以往的PAL、GAL等相比,FPGA規模比較大,適合于時(shí)序、組合等邏輯電路應用。本文選用A1tera公司的FPGA芯片EP2C8Q208,完成數據采集卡的時(shí)序和地址譯碼電路設計。由于EP2C8Q208有36個(gè)M4K RAM,在FPGA內部設計一個(gè)16位寬度、4 KB深度的FIFO,使用FIFO提高數據采集卡對多通道信號的采集存儲能力。FIFO有半滿(mǎn)、全滿(mǎn)、空標志位,當檢測到半滿(mǎn)標志位時(shí),FIFO同時(shí)讀寫(xiě);全滿(mǎn)時(shí)只讀不寫(xiě);空時(shí)只寫(xiě)不讀。A/D采樣控制信號通過(guò)FPGA控制;PC機對采集后的數據作進(jìn)一步處理,以提高精度,其中2選1模塊,由主控制模塊來(lái)控制,選擇是直接將采集數據送給PC機處理,還是在內部進(jìn)行DSP處理后再送給PC機。

由于Nios是一個(gè)位于FPGA中的處理器軟核,定制其外設就顯得比較容易,在SOPC Builder(集成到Quartus II工具中的為建立SOPC系統設計,提供標準化的圖形設計環(huán)境。其由CPU、存儲器接口、標準外圍設備和用戶(hù)自定義的外圍設備組成)環(huán)境下,其定制邏輯的結構框圖如圖4所示。




自定制的Avalon外設按照對總線(xiàn)操作的方式可分為:Avalon Slave外設和Avalon Streaming Slave(流模式)外設。在SOPC Builder圖形設計界面下添加需要的內核。通過(guò)自動(dòng)分配系統基地址和系統中斷向量,手動(dòng)分配CPU復位地址為外設Flash、CPU溢出地址為片上RAM和CPU調試斷點(diǎn)地址為JTAG調試地址,就可由系統報告得知系統是否定制成功,如圖5所示。

            

2.3 ADC芯片及外圍電路設計

ADC外圍電路框圖如圖6所示。




信號調理部分選用高精度、低噪聲、低輸入偏置電流、寬帶運算場(chǎng)效應放大器AD8ll進(jìn)行信號的放大。模擬信號處理是影響系統性能的重要因素之一,設計時(shí)必須考慮兩個(gè)方面:一是要保證信號質(zhì)量,提高信噪比,盡量減少畸變;二是將信號變換成適合A/D處理的幅度并提供足夠的驅動(dòng)能力。這里選用ADI公司的寬帶運放AD811為放大器。AD8ll是一種電流反饋型的放大器,它具有10 MHz的低失真和單位增益帶寬很寬的特點(diǎn),使AD81l成為理想的高分辨率ADC緩沖器。之后針對信號進(jìn)行檔速變換。檔速變換選用ADG系列產(chǎn)品。本設計選用的是一款四路獨立選擇的單片CMOS開(kāi)關(guān)芯片,其設計基于增強的lc2mos進(jìn)程、可以提供低功耗、高轉換速度和低阻抗性,當信號滿(mǎn)足A/D變換的要求后,根據采集要求將其由單端輸入變換為差分的雙端輸出,芯片選用AD8138。AD8138具有較寬的模擬帶寬(320 MHz,一3dB,增益為1),可以將單端輸入變成差分輸出。A/D轉換的觸發(fā)則由信號放大芯片AD811采集信號和D/A轉換芯片信號進(jìn)行比較,當有效時(shí),發(fā)出ADn_TRIG信號,其中D/A轉換芯片的輸入標準信號(數字輸入端)由FPGA來(lái)提供。當ADn_TRIG有效時(shí),FPGA向AD924.4發(fā)出控制命令(DIN、FORMAT、MODE、SCLK、sYNC、FSYNC信號),啟動(dòng)A/D轉換。
A/D轉換器的精密時(shí)鐘由DDS電路AD9859YSV提供。

3 軟件設計及實(shí)現

系統軟件設計包括3部分:固件程序、USB設備驅動(dòng)程序和應用程序。整個(gè)軟件實(shí)現的功能包括系統初始化、采樣控制、數據傳輸和波形顯示。

3.1 固件程序設計

固件程序輔助硬件實(shí)現設備雙向交換數據,以完成USB通信,其主要功能是:接收并處理USB驅動(dòng)程序的請求及應用程序的控制指令,控制A/D轉換器的采樣。當首次插入USB時(shí),FX2通過(guò)USB電纜會(huì )自動(dòng)枚舉且下載固件和USB描述符表;接下來(lái),FX2再次枚舉,這次主要通過(guò)下載的信息來(lái)定義設備。這兩個(gè)步驟叫作重枚舉。固件程序流程如圖7所示。初始化包含各個(gè)初值的設置和關(guān)鍵點(diǎn)的電平檢測。





在Cypress公司的網(wǎng)站上,可下載CY7(368013芯片的開(kāi)發(fā)工具包。該開(kāi)發(fā)包提供了一些開(kāi)發(fā)固件程序所需的資源:Keil u Vision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(限制版)、Cypress C51固件框架程序以及一些例子程序。KeilCSl是一種專(zhuān)為8051單片機設計的高效率C語(yǔ)言編譯器,符合ANSI標準,生成的程序代碼運行速度極高,所需要的存儲空間極小,完全可與匯編語(yǔ)言相媲美。同時(shí),C51具有豐富的庫函數,多達1O0多種功能函數。因此,采用C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,以Keil uVision2作為工程開(kāi)發(fā)平臺,完成源代碼的編寫(xiě)、仿真、調試,將在相當程度上降低固件開(kāi)發(fā)難度,提高開(kāi)發(fā)效率。      

3.2 USB設備驅動(dòng)設計

USB設備驅動(dòng)程序的設計是基于WDM(WindowsDriver Model,驅動(dòng)程序模型)的。WDM采用分層驅動(dòng)程序模型,分為較高級的USB設備驅動(dòng)程序和較低級的USB函數層。其中USB函數層由兩部分組成:較高級的通用串行總線(xiàn)模塊(us—BD)和較低級的主控制器驅動(dòng)程序模塊(HCD)。

本設計用WinDK3.O開(kāi)發(fā)了Win2000下的驅動(dòng)程序,實(shí)現了控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸的標準接口函數。在應用程序開(kāi)發(fā)中,可用VC++編制應用程序。把USB設備當成文件來(lái)操作,用Create—File得到USB句柄,用DevieeloControl來(lái)進(jìn)行控制傳輸,用ReadFile、WriteFile進(jìn)行批量傳輸。

3.3 應用程序設計

應用程序流程如圖8所示。用戶(hù)應用程序是數據采集系統的核心,其主要功能為:開(kāi)啟或關(guān)閉USB設備、檢測USB設備、設置USB數據傳輸管道、設置A/D狀態(tài)和數據采集端口、實(shí)時(shí)從USB接口采集數據、顯示并分析數據。




4 結 論

用FPGA作為采集處理部分,可以提高系統處理的速度,大大增強系統的靈活性和適應性。FPGA技術(shù)和USB的組合,使得數據處理能力得到了極大的提高,且有利于系統升級。USB芯片采用了Cpyress公司的高性能USB2.0芯片CY7C68013,可以完全勝任大數據量的傳送。該實(shí)例還可應用于實(shí)時(shí)數據采集、音頻及壓縮視頻數據傳輸等領(lǐng)域。
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