基于FPGA和USB2.0的高速數據采集系統

發(fā)布時(shí)間:2010-1-13 11:08    發(fā)布者:李寬
關(guān)鍵詞: FPGA , 數據采集 , 系統
數據采集在現代工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中的重要地位日益突出,對實(shí)時(shí)高速數據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,都要求進(jìn)行高速、高精度的數據采集。這就對數據采集系統的設計提出兩個(gè)方面的要求:一方面,要求接口簡(jiǎn)單靈活且有較高的數據傳輸率;另一方面,由于數據量通常都較大,要求主機能夠對數據做出快速反應,并及時(shí)分析和處理。

實(shí)現數據采集與傳輸,可選擇如下3種方法:

①使用傳統的串/并口。傳統的串口(如RS232),其傳輸速率為幾十kb/s到100 kb/s,而系統所要求的數據傳輸速率很高,而且還要實(shí)現數據的采集與傳輸同步進(jìn)行,串口的速率遠遠達不到實(shí)時(shí)要求;對于并口,雖然它的傳輸速率可達到1 Mb/s以上,但由于探測器與主機相距較遠,因此走線(xiàn)比較復雜。

②采用通用的高速數據采集卡。高速數據采集卡(如ISA或PCI卡)雖然在數據存取速度上可滿(mǎn)足系統要求,但仍然存在很多缺點(diǎn),比如安裝復雜,價(jià)格昂貴,兼容性不好,受計算機插槽數量、地址和中斷資源的限制,可擴展性較差等。

③使用USB2.0通用串行接口總線(xiàn)。USB接口是一種重要的計算機外設接口,它支持熱插拔和即插即用,使用非常方便。USB2.0支持高達480 Mbps的數據傳輸速率。USB接口可實(shí)現計算機與多個(gè)外圍設備的簡(jiǎn)單、高速互聯(lián),將USB技術(shù)應用于數據采集是非常適合的。經(jīng)綜合考慮,本文選擇采用 USB2.0接口來(lái)完成對數據的采集與傳輸。

1 數據采集和傳輸系統方案設計

數據采集和傳輸系統主要由3部分組成,USB2.0通道、FPGA和A/D轉換器組成,如圖1所示。



CY7C68013是Cypress公司推出的EZ-USB FX2系列智能USB接口芯片。其作用是將主機所發(fā)送的命令序列經(jīng)USB2.0端口輸出,實(shí)現對數據采集系統的控制;同時(shí)把A/D轉換器采集的數據以高速的數據序列形式發(fā)送到主機。其中,USB2.0端口提供一個(gè)能和計算機連接的數據傳輸接口。

FPGA利用內部的SRAM提供數據輸入/輸出的雙緩沖功能。采用雙緩沖的原因同USB中的大端點(diǎn)所配置的雙緩沖類(lèi)似,均是防止數據的溢出和保證數據傳輸的連續性。本文選用Altera公司的CycIone系列芯片EP1C3T144。

A/D轉換器將所要采集的模擬量轉換成數字量,通過(guò)濾波和放大后,由FPGA接收、緩沖、存儲,經(jīng)USB2.0端口傳回至主機工作站。高速A/D轉換器采用轉換速率為20 MHz的MAX1425。



系統工作過(guò)程為:主機通過(guò)CY7C68013給數據采集系統一個(gè)采樣控制命令,存入FPGA的控制寄存器中。FPGA根據該命令向A/D轉換器發(fā)出相應控制信號。由于ADC采樣頻率為10 MHz,為和PC運行速度相匹配,在FPGA內部生成一個(gè)FIFO緩存器。A/D轉換器在FPGA的ADC接口控制電路控制下,把模擬信號轉換成數字信號,并將指定通道的采樣數據存入FPGA內部FIFO緩存。同時(shí),FPGA的USB接口控制邏輯查詢(xún)CY7C68013是否空閑,如果空閑,那么由 FPGA的USB接口控制邏輯將指定通道的采樣結果,從FPGA內部FIFO緩存送入CY7C68013的內部FIFO。當內部的FIFO容量達到一定程度后,CY7C68013自動(dòng)將數據打包傳送到PC機。由于固件程序把CY7C68013設置為特定的自動(dòng)模式,因此CY7C68013把數據送往PC機期間的所有操作無(wú)需CY7C68013中CPU的干預,從而保證足夠的數據傳輸速率。采樣過(guò)程中FPGA的USB接口控制邏輯依次取走批量數據,在USB 接口打包傳送時(shí)A/D轉換持續進(jìn)行,FPGA內部FIFO也被持續寫(xiě)入轉換結果。

2 硬件設計

系統的硬件由A/D轉換電路、數據采集與傳輸控制電路和接口電路構成。

2.1 A/D轉換電路

A/D轉換電路是整個(gè)系統的重要組成部分。由低通濾波器、多路選擇開(kāi)關(guān)和A/D轉換器構成,如圖2所示。本文選用Maxim公司的A/D轉換芯片MAX1425。

8路模擬輸入信號分別經(jīng)過(guò)由運放THS4052構成的抗混疊低通濾波器去除高頻成分,防止信號產(chǎn)生“混疊現象”。1/8模擬信號選擇器根據來(lái)自FPGA板的地址碼,控制模擬信號選擇器74HC4051選通8路輸入中的1路到輸出端,送到A/D轉換器MAX1425將模擬信號轉換為數字信號。MAX1425 的控制信號由FPGA板提供,在控制信號的作用下以適當的時(shí)序完成轉換工作。

2.2 數據采集與傳輸控制電路

數據采集與傳輸控制電路的開(kāi)發(fā)工作主要集中在FPGA上。FPGA負責CY7C68013與ADC芯片之間的緩沖與控制,一邊與ADC接口,另一邊與USB接口,產(chǎn)生數據采集、通道切換、A/D轉換、FIFO所需的全部控制信號;實(shí)現對傳輸數據的緩存、讀/寫(xiě)控制、時(shí)鐘、輸出使能、端點(diǎn)的選擇,以及對ADC的控制等功能。

如圖3所示,數據采集與傳輸控制電路由FIFO、USB接口控制狀態(tài)機、ADC接口控制狀態(tài)機、三態(tài)門(mén)緩沖器、控制寄存器組幾部分構成。圖中,由右向左的寬箭頭表示數據流;FD[9:0]是與USB接口芯片連接的雙向數據總線(xiàn);由左向右的寬箭頭表示傳送來(lái)自PC機的控制信號;單線(xiàn)箭頭表示輸入/輸出,以及 FPGA內部各個(gè)模塊間的控制信號線(xiàn)。



從數據流向看,數據在A(yíng)DC接口控制狀態(tài)機的協(xié)調下通過(guò)ADC接口送入FPGA的FIFO中。經(jīng)過(guò)FIFO的緩沖后,在USB接口控制狀態(tài)機的協(xié)調下,當 USB接口控制狀態(tài)機對三態(tài)門(mén)的輸出為高時(shí),三態(tài)門(mén)開(kāi)啟,數據通過(guò)三態(tài)門(mén)傳輸到FPGA外部的USB接口;當對三態(tài)門(mén)的輸出為低時(shí),三態(tài)門(mén)呈現高阻態(tài),FPGA的這幾個(gè)引腳作為輸入引腳。此狀態(tài)下,來(lái)自PC機的控制信號通過(guò)CY7C68013從FD[15:0]送人FPGA中。在USB接口控制狀態(tài)機的控制下,來(lái)自PC機的控制信息存人控制寄存器組,并由ADC接口控制狀態(tài)機來(lái)控制送往FPGA外的ADC接口,作為對ADC的控制(如通道的選擇)。

2.3 接口電路

2.3.1 FPGA內的ADC接口模塊

MAX1425和74HC4051的控制信號都由FPGA產(chǎn)生,接口電路如圖4所示。



FPGA的工作時(shí)鐘為60 MHz,該時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻后,提供20 MHz給MAX1425作為工作時(shí)鐘,同時(shí)也作為FP-GA內其他邏輯的工作時(shí)鐘。由FPGA內狀態(tài)機控制,當CS為低和ADC_Convst為高時(shí),MAX1425進(jìn)入采樣保持狀態(tài)。當Clock的第一個(gè)上升沿到來(lái),MAX1425開(kāi)始轉換。RD輸出為低時(shí),MAX1425把轉換結果放到數據總線(xiàn)上,FPGA開(kāi)始讀入10位數據(FD[15:0]中的10~15六位數據線(xiàn)懸空,使數據線(xiàn)和A/D的位數匹配)。FPGA控制寄存器的Sel[2:O] 信號作為74Hc4051的通道選擇信號,從8路模擬輸入信號中選擇1路作為MAX1425的輸入。完成一次轉換后,當ADC_Convst:再次為高時(shí),開(kāi)始下一輪轉換。

2.3.2 FPGA內的USB接口模塊


圖5是Slave模式下CY7C68013與FPGA的連接示意圖。中間是FPGA中USB接口模塊部分對應的信號。

2.3.3 FPGA內的USB接口控制狀態(tài)機

FPGA內USB接口控制狀態(tài)機的狀態(tài)轉移圖如圖6所示。共有6個(gè)狀態(tài),復位信號的模式設置為異步復位。狀態(tài)機主要分為讀、寫(xiě)兩部分:讀取EP2中所包含的命令,存到FPGA的控制寄存器組中;將FPGA的FIFO中的數據讀出,寫(xiě)入EP6端點(diǎn)緩沖區。



該狀態(tài)機工作過(guò)程為:

①系統加電或復位后,狀態(tài)機進(jìn)入空閑狀態(tài)(idle)。

②在空閑狀態(tài)下,當EP2不為空時(shí)進(jìn)入read_0狀態(tài),從EP2中讀出PC機傳來(lái)的控制命令。隨后進(jìn)入read_1狀態(tài),把命令存到FPGA內控制寄存器中,并把FPGA內的FIFO清空(fifo_ach1='1'),以準備存儲采樣數據。之后再回到idle狀態(tài)。

③在空閑狀態(tài)下,當EP2為空(FX2_empty='0'),而FPGA的FIFO不為空(empty='0'),且EP6不滿(mǎn)時(shí),進(jìn)入write_0 狀態(tài)。之所以要看EP2是否為空,是想優(yōu)先處理PC機通過(guò)EP2傳來(lái)的命令。在write_0狀態(tài)下,選中對CY7C68013的EP6操作 (ADDR=2'h2),同時(shí)從FPGA內部的FIFO中讀出一個(gè)數據。之后進(jìn)入write_1狀態(tài),把數據寫(xiě)入CY7C68013。然后進(jìn)入 write_2狀態(tài),write_2狀態(tài)的輸出與idle狀態(tài)相同,目的是提供一個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。因為FPGA工作于60 MHz的時(shí)鐘下,比CY7C68013快,所以加入一個(gè)延遲以保證可靠的數據傳輸。

3 軟件設計

如圖7所示,數據采集系統的軟件設計包括3部分;CY7C68013的固件程序、Windows平臺上USB設備驅動(dòng)程序和應用程序。在Windows操作平臺下,當有新的設備接入時(shí),操作系統就會(huì )依據設備回送的有關(guān)信息自動(dòng)地調用相應的設備驅動(dòng)程序。當USB設備的設備驅動(dòng)程序裝載后,主機應用程序通過(guò) USB設備驅動(dòng)程序與系統USBDI(USB Device Interface)進(jìn)行通信,然后由系統產(chǎn)生USB數據的傳送動(dòng)作。固件則是運行在外設接口芯片中的代碼,用于響應各種來(lái)自系統的USB標準請求,完成各種數據的交換工作和事務(wù)處理。



固件架構實(shí)現了與USB兼容的外圍設備所需的基本功能。經(jīng)過(guò)鏈接(Iink)最小的描述符表文件,并對該架構作適當的修改或添加部分代,就可以構建出完全兼容的設備固件架構。通過(guò)鏈接Cypress公司所提供的子程序,就有可能逐漸地構建出完全兼容功能的設備。固件程序的流程如圖8所示。



4 結 論

基于FPGA和USB2.0的高速實(shí)時(shí)數據采集系統,采用計算機的USB接口作為數據傳輸接口。軟件設計工作包括MCU的固件程序設計、計算機上USB接口驅動(dòng)程序設計、計算機上應用程序設計等幾部分。MCU在FPGA和計算機之間起橋梁的作用,既要對USB接口進(jìn)行控制,實(shí)現與計算機的通信,接受計算機的控制,又要對它與FPGA的接口進(jìn)行設置和控制,還會(huì )與FPGA進(jìn)行對話(huà)以實(shí)現對FPGA的工作模式進(jìn)行設置。

作者:遼寧工程技術(shù)大學(xué) 李朋勃 張洪平 來(lái)源:《單片機嵌入式系統》2009(9)
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