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本文設計了一種基于USB2.0芯片CY7C68013和Maxim公司的高速并行模數轉換芯片MAX1195的高速雙路數據采集系統，采用EZ-USB FX2 的特有的GPIF(General Programmable Interface)傳輸方式，徹底打破了8051CPU對USB2.0傳輸速率的瓶頸，同時(shí)避免了使用其他微處理器或者CPLD、FPGA等的硬件開(kāi)支。本文詳細介紹了該數據采集系統的硬件組成和軟件設計，包括單片機CY7C68013的固件設計和計算機主機用戶(hù)程序。通過(guò)與高精度激光縱模分析儀的連接調試，證明該系統已經(jīng)達到了既定目標。 1．引言 近年來(lái)，USB接口由于其傳輸速率高，真正的即插即用等優(yōu)點(diǎn)正在逐漸取代傳統的計算機接口如：RS232，EPP等。目前，許多的芯片生產(chǎn)商都推出了符合USB協(xié)議的芯片，如PHILIPS公司的PDIUSBD12，NS公司的USBN9602等。在眾多的USB2.0芯片中，Cypress公司的 EZ-USB FX2(CY7C68013)芯片是一個(gè)不錯的選擇。本文設計了一種基于EZ-USB FX2和MAX1195的數據采集系統，該系統符合USB2.0協(xié)議標準，通過(guò)與高精度激光縱模分析儀連接進(jìn)行調試，證明該系統達到了預定目的。 2. CY7C68013芯片和MAX1195芯片介紹 2.1 CY7C68013介紹： CY7C68013在一塊芯片上同時(shí)集成了USB2.0收發(fā)器，串行接口引擎SIE，增強型的8051微控制器以及一個(gè)可編程外圍接口 GPIF(General Programmable Interface)。CY7C68013的“量子FIFO”(FIFO，先進(jìn)先出存儲器)特性使得無(wú)需8051CPU的任何干預，數據即可從外設上傳到主機，這種數據傳輸模式徹底解決了USB2.0收發(fā)器與一般8051微控制器連接時(shí)由于8051的時(shí)鐘頻率低而導致的傳輸速率瓶頸問(wèn)題。 CY7C68013芯片的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是其“‘軟’配置”，代碼和數據能夠直接通過(guò)USB接口下載到片內的RAM上，這一功能通過(guò)Cypress公司獨創(chuàng )的“重枚舉”(ReNumerationTM)功能實(shí)現。CY7C68013芯片有四個(gè)可編程的批量、中斷、同步傳輸端點(diǎn)，可以分別設置為雙緩沖，三緩沖和四緩沖模式，8位或者16位的外部數據接口，該接口可以根據需要工作在GPIF或者SLAVEFIFO模式。其中GPIF能夠和絕大部分并行接口如 FIFO等實(shí)現“無(wú)膠”連接，即無(wú)需外加任何微控制器或CPLD、FPGA等。本文的設計中采用了GPIF方式。 2.2 MAX1195介紹： MAX1195是由MAXIM公司推出的一款低功耗、雙路、高速、八位模數轉換芯片，采用流水線(xiàn)(Pipeline)結構，最高采樣率 40Mbps，內部集成了兩個(gè)ADC，真正實(shí)現兩路同步采樣轉換。其工作電壓范圍是2.7V-3.6V，具有減小功耗的休眠模式和關(guān)斷(Shut- Down)模式，單端或者差分輸入方式，片上采樣保持(T/H)電路，內部或者外部參考電壓，含有用戶(hù)可選擇的數據輸出格式：二的補碼格式或者補償二進(jìn)制碼格式，具有輸出使能控制 ，可以將輸出置為高阻態(tài)。此外MAXIM還提供了與MAX1195引腳、封裝完全兼容的10位、更高采樣率的模數轉換芯片，如MAX1197、 MAX1198等，因此系統升級非常方便。在本文的工作中，采用了內部參考電壓、雙路單端模擬輸入、補償二進(jìn)制碼輸出格式。 3．系統整體構成及其工作原理介紹： 3.1系統構成： 系統的整體框圖如圖1所示。整個(gè)系統主要包括USB傳輸芯片CY7C68013,先進(jìn)先出存儲器(FIFO)SN74V235和模數轉換芯片 MAX1195組成。反相器74LVC04主要起MAX1195和FIFO之間的邏輯控制作用。 
圖1 系統整體框圖 3.2系統工作原理： MAX1195的兩路輸入信號是同時(shí)被采樣的，十六位的數據輸出總線(xiàn)使兩路數據可以同時(shí)輸出，分別占八位，即：D0A~D7A和 D0B~D7B；SN74V235輸入為18位，根據CMOS技術(shù)的要求，將未使用的D16和D17引腳接地。MAX1195采集到的數據首先送進(jìn)FIFO里， FIFO的寫(xiě)時(shí)鐘(WCLK)和AD的轉換時(shí)鐘反相，這樣可以充分滿(mǎn)足MAX1195輸出數據的建立時(shí)間，避免發(fā)生數據丟失或者數據重復寫(xiě)入現象。 SN74V235的 (Programmable Almost Full)可編程幾乎滿(mǎn)信號經(jīng)74LVC04反相后接MAX1195的Sleep和 引腳，以免FIFO發(fā)生溢出而丟失數據。SN74V235的數據輸出引腳Q0~Q15與CY7C68013的GPIF模式下的數據線(xiàn)FD[15:0]即端口B和端口D組成的十六位數據總線(xiàn)相連，數據SN74V235到EZ-USB FX2的時(shí)序過(guò)程由CY7C68013的GPIF控制。FX2采用了“量子FIFO”結構，在FX2里面，數據可以分為兩個(gè)域：USB域和GPIF接口域。這兩個(gè)域是獨立的，允許分別使用不同的時(shí)鐘和邏輯控制數據的傳輸，USB域是由SIE控制的，SIE通過(guò)USB口接收或者發(fā)送端點(diǎn)FIFO的數據。 FX2的“量子FIFO”能夠幾乎不花時(shí)間在這兩個(gè)數據域中的轉移數據，因為這兩個(gè)域用的FIFO在物理上是同一個(gè)。所以根據“量子FIFO”原理，實(shí)際上數據已經(jīng)存在于屬于USB域的端點(diǎn)FIFO里面了，采用USB的BULK傳輸方式，使該數據完全不經(jīng)過(guò)低頻CPU干預，而是采用FX2提供的 AutoIn模式，即一旦FX2端點(diǎn)緩沖區的數據達到指定字節數，數據將自動(dòng)被打包從USB口上傳到主機。 3.3 GPIF波形及程序介紹： GPIF是FX2的端點(diǎn)FIFO的片內控制器，可以完全代替片外的控制器而實(shí)現FX2與外圍FIFO的“無(wú)膠”連接。GPIF的核心是一個(gè)可編程狀態(tài)機，可以產(chǎn)生六個(gè)“控制”(CTL)和九個(gè)“地址”(GPIFADR[8:0])信號，可以接收六個(gè)外部(RDY)“準備好”輸入，八位或者十六位數據總線(xiàn)，時(shí)鐘可以用FX2的IFCLK，也可以由外圍提供。本文GPIF接口的詳細硬件連接如圖2所示。
圖2 GPIF與SN74V235詳細連接圖 GPIF狀態(tài)機可以定義四個(gè)波形描述符，一般情況下是：FIFO讀，FIFO寫(xiě)，單字/字節讀，單字/字節寫(xiě)。Cypress提供了圖形化的波形描述工具GPIF Designer，用戶(hù)只需要給出GPIF波形，GPIF Designer會(huì )自動(dòng)生成C語(yǔ)言的波形代碼Gpif.c，可以直接鏈接到用戶(hù)的固件程序中。本文中用到了FIFORd描述符，波形如圖3所示。
圖3 GPIF Designer設計的 FIFORd波形 4.系統軟件編寫(xiě) 系統軟件主要包括三個(gè)部分：下位機CY7C68013的固件，USB驅動(dòng)程序和上位機主機應用程序。 4.1 固件程序編寫(xiě) 對于下位機CY7C68013的固件編寫(xiě)，Cypress公司給出了在Keil C51下的固件程序框架，固件框架完成EZ-USB FX2的初始化、USB標準設備請求處理、USB掛起模式下的電源管理服務(wù)和USB中斷處理。Cypress還提供了函數鉤子來(lái)加速用戶(hù)代碼的添加。用戶(hù)只需要簡(jiǎn)單地提供一個(gè)USB描述符表和執行外圍功能的代碼即可。 4.2 驅動(dòng)程序編寫(xiě) Windows系統下的USB驅動(dòng)包括三層，從高到低依次是：USB客戶(hù)端設備驅動(dòng)(USB Client Device Driver)、USB總線(xiàn)驅動(dòng)(USB Hub(Bus) Driver)、主機控制器驅動(dòng)(Host Controller Driver)。后兩者由Windows系統提供，用戶(hù)只需要開(kāi)發(fā)USB客戶(hù)端設備驅動(dòng)程序，Cypress公司提供了一個(gè)通用的驅動(dòng)程序 (General Purpose Driver)，即ezusb.sys，一般情況下，該驅動(dòng)程序可以滿(mǎn)足FX2開(kāi)發(fā)者的需要。本文使用了Cypress公司的通用驅動(dòng) ezusb.sys。為了使用ezusb.sys，用戶(hù)必須編寫(xiě)對應的inf文件，inf文件將特定的USB設備綁定給相應的驅動(dòng)程序，該inf文件參照 ezusbw2k.inf編寫(xiě)。 4.3 主機應用程序編寫(xiě) 通用驅動(dòng)程序GPD即ezusb.sys提供了基本USB設備請求和數據傳輸的用戶(hù)模式接口，用戶(hù)模式應用程序通過(guò)Win32函數 DeviceIoControl()給設備驅動(dòng)器發(fā)送請求。Ezusb.sys提供了基本設備請求、批量讀寫(xiě)、同步讀寫(xiě)等一系列IOCTL函數。這里以 IOCTL_EZUSB_BULK_READ（EZUSB批量傳輸）為例加以介紹。 批量傳輸模式下讀FX2的端點(diǎn)FIFO的關(guān)鍵代碼如下： DWORD ioctl_val=IOCTL_EZUSB_BULK_READ; //設置從設備中讀數據 Bresult=DeviceIoControl ( hDevice , ioctl_val , //從設備讀數據 &bulkControl , //端點(diǎn)號 sizeof ( BULK_TRANSFER_CONTROL), //傳入參數的大小 buffer , //讀數據的緩沖區 length , //讀數據的長(cháng)度 (unsigned long *)&nBytes , //驅動(dòng)返回的數據的實(shí)際長(cháng)度 NULL); 限于篇幅，其他程序代碼從略。 6．結束語(yǔ) 本文的創(chuàng )新點(diǎn)是充分發(fā)揮了CY7C68013的優(yōu)勢，利用FX2的內部可編程狀態(tài)機GPIF實(shí)現了與外圍FIFO“無(wú)膠”連接，避免了使用外圍ASIC或者CPLD、FPGA等的麻煩，系統升級方便。整個(gè)電路結構緊湊，占用面積小，便于攜帶。 本文采用Cypress公司的USB2.0芯片CY7C68013設計了一種通用的高速雙路同步數據采集系統，通過(guò)將其與高精度激光縱模分析儀連接進(jìn)行試驗，證明該系統實(shí)現了數據的高速實(shí)時(shí)傳輸，達到了預先設計的目標。隨著(zhù)USB口的進(jìn)一步普及和計算機的發(fā)展，本文設計的這種USB數據采集系統必將得到更加廣泛的應用。 作者: 岳躍平 霍玉晶 何淑芳 來(lái)源：微計算機信息 2007 年 第23卷 第19期 |
