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基于USB2.0的高速同步数据采集系统设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:介绍基于USB2.0协议、最多可四路同步采样的高速同步数据采集系统。其单通道采样速度620ksps,四通道同时采样速度可达180ksps。USB接口控制及通信芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013,通过对其可编程接口控制逻辑的合理设计和芯片内部FIFO的有效运用,实现了数据的高速连续采样。
  关键词:USB2.0协议同步数据采集CY7C68013可编程控制接口FIFO
  
  USB(UniversalSerialBus)总线是INTEL、NEC、MICROSOFT、IBM等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范。为了适应高速传输的需要,2000年4月,这些公司在原1.1协议的基础上制订了USB2.0传输协议,已超过了目前IEEE1394接口400Mbps的传输速度,达到了480Mbps。USB总线使用简单,支持即插即用PnP(PlugAndPlay),一台主机可串连127个USB设备。设备与主机之间通过轻便、柔性好的USB线缆连接,最长可达5m,使设备具有移动性,可自由挂接在具有USB接口的运行在Windows98/NT平台的PC机上。USB总线已被越来越多的标准外设和用户自定义外设所使用,如鼠标、键盘、扫描仪、音箱等。
  
  笔者结合设备检测中数据采集的实际需要,设计了该高速同步数据采集系统。该系统最多可四路同步采样,单通道采样速度可达620ksps,四通道同时采样速度可达180ksps。USB接口控制芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013,通过对其可编程接口控制逻辑的合理设计和芯片内部FIFO的有效运用,实现了数据的高速连续采样和传输。
  
  1基本原理
  
  该采集系统总体框架分三部分:主机(能支持USB2.0协议的PC机)、内部包含CPU及高速缓存的USB接口控制芯片(CY7C68013)和高速同步采样芯片(MAX115),如图1所示。其数据传输分两部分:控制信号传输和采集数据传输。控制信号方向为由主机到外设,由外设CPU控制,数据量较小;采集到的数据由外设到主机,数据量较大。为了保证较高的传输速度,不经过CPU。系统基本操作过程为:主机给外设一个采样控制信号,FX2根据该信号向A/D转换器送出相应控制信号,即采样模式控制字;之后由A/D转换器自主控制转换,并将各通道采样数据存入其片内缓存。一旦转换完成,由A/D的完成位向FX2的可编程控制接口发读采样结果信号;然后由可编程接口的控制逻辑依次将各通道采样结果从A/D的缓存读入FX2的内部FIFO。当FIFO容量达到指定程度后,自动将数据打包传送给USB总线。期间所有操作不需要CPU的干预。采样过程中接口控制逻辑依次取走批量数据,在打包传送时A/D仍持续转换,内部FIFO也持续写入转换结果。只要内部FIFO写指针和读指针位置相差达到指定的值就立即取走数据。从而保证了同步连续高速采集的可靠性。
  
  2硬件部分
  
  2.1芯片介绍
  
  CY7C68013属于Cypress公司的FX2系列产品,它提供了对USB2.0的完整解决方案。该芯片包括带8KB片内RAM的高速CPU、16位并行地址总线+8位数据总线、I2C总线、4KBFIFO存储器以及通用可编程接口(GPIF)、串行接口引擎(SIE)和USB2.0收发器。在代码的编写上,与8051系列单片机兼容,且速度是标准8051的3~5倍。
  
  CY7C68013与外设有两种接口方式:可编程接口GPIF和SlaveFIFOs。
  
  可编程接口GPIF是主机方式,可以由软件设置读写控制波形,灵活性很大,几乎可以对任何8/16bit接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写,使用非常灵活。SlaveFIFOs方式是从机方式,外部控制器可象对普通FIFO一样对FX2的多层缓冲FIFO进行读写。FX2的SlaveFIFOs工作方式可设为同步或异步;工作时钟为内部产生或外部输入可选;其它控制信号也可灵活地设置为高有效或低有效。笔者在设计中采用主机方式。
  
  MAX115是美信公司的高速多通道同步采样芯片。含有两组4路同步通道,共8个输入端。采样精度为12位,采样模式由采样控制字决定,可灵活地在两组中的1~4个通道间选择。采样时,各通道转换结果先存入其内部相对应的4个12bit存储单元,各通道都转换完后再一起取走。
  
  2.2电路原理及设计
  
  考虑CY7C68013与MAX115接口时,采样模式不同,控制波形有所差别,笔者选择主机方式即可编程控制接口(GPIF)。
  
  GPIF是FX2端点FIFO的内部控制器。在这种

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