作者：周云鋒，孫書鷹，王宏

USB（Universal Serial Bus）總線是INTEL、NEC、MICROSOFT、IBM等公司聯合提出的一種新的串行總線接口規范。為了適應高速傳輸的需要，2000年4月，這些公司在原1.1協議的基礎上制訂了USB2.0傳輸協議，已超過了目前IEEE1394接口400Mbps的傳輸速度，達到了480Mbps。USB總線使用簡單，支持即插即用PnP（Plug And Play），一臺主機可串連127個USB設備。設備與主機之間通過輕便、柔性好的USB線纜連接，最長可達5m，使設備具有移動性，可自由掛接在具有USB接口的運行在Windows98/NT平臺的PC機上。USB總線已被越來越多的標準外設和用戶自定義外設所使用，如鼠標、鍵盤、掃描儀、音箱等。

結合設備檢測中數據采集的實際需要，設計了該高速同步數據采集系統。該系統最多可四路同步采樣，單通道采樣速度可達620ksps，四通道同時采樣速度可達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計和芯片內部FIFO的有效運用，實現了數據的高速連續采樣和傳輸。

1 基本原理

該采集系統總體框架分三部分：主機（能支持USB2.0協議的PC機）、內部包含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。其數據傳輸分兩部分：控制信號傳輸和采集數據傳輸。控制信號方向為由主機到外設，由外設CPU控制，數據量較小;采集到的數據由外設到主機，數據量較大。為了保證較高的傳輸速度，不經過CPU。系統基本操作過程為：主機給外設一個采樣控制信號，FX2根據該信號向A/D轉換器送出相應控制信號，即采樣模式控制字;之后由A/D轉換器自主控制轉換，并將各通道采樣數據存入其片內緩存。一旦轉換完成，由A/D的完成位向FX2的可編程控制接口發讀采樣結果信號;然后由可編程接口的控制邏輯依次將各通道采樣結果從A/D的緩存讀入FX2的內部FIFO。當FIFO容量達到指定程度后，自動將數據打包傳送給USB總線。期間所有操作不需要CPU的干預。采樣過程中接口控制邏輯依次取走批量數據，在打包傳送時A/D仍持續轉換，內部FIFO也持續寫入轉換結果。只要內部FIFO寫指針和讀指針位置相差達到指定的值就立即取走數據。從而保證了同步連續高速采集的可靠性。

2 硬件部分

2.1 芯片介紹

CY7C68013屬于Cypress公司的FX2系列產品，它提供了對USB2.0的完整解決方案。該芯片包括帶8KB片內RAM的高速CPU、16位并行地址總線+8位數據總線、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收發器。在代碼的編寫上，與8051系列單片機兼容，且速度是標準8051的3～5倍。

CY7C68013與外設有兩種接口方式：可編程接口GPIF和Slave FIFOs。

可編程接口GPIF是主機方式，可以由軟件設置讀寫控制波形，靈活性很大，幾乎可以對任何8/16 bit接口的控制器、存儲器和總線進行數據的主動讀寫，使用非常靈活。Slave FIFOs方式是從機方式，外部控制器可象對普通FIFO一樣對FX2的多層緩沖FIFO進行讀寫。FX2的Slave FIFOs工作方式可設為同步或異步;工作時鐘為內部產生或外部輸入可選;其它控制信號也可靈活地設置為高有效或低有效。筆者在設計中采用主機方式。

MAX115是美信公司的高速多通道同步采樣芯片。含有兩組4路同步通道，共8個輸入端。采樣精度為12位，采樣模式由采樣控制字決定，可靈活地在兩組中的1～4個通道間選擇。采樣時，各通道轉換結果先存入其內部相對應的4個12bit存儲單元，各通道都轉換完后再一起取走。

2.2 電路原理及設計

考慮CY7C68013與MAX115接口時，采樣模式不同，控制波形有所差別，筆者選擇主機方式即可編程控制接口（GPIF）。

GPIF是FX2端點FIFO的內部控制器。在這種方式下，接口內核可產生6個控制輸出端（CTL0～CTL5）和9根線的地址（GADR［8:0］）輸出，同時可以接收6個外部輸入（RDY0～RDY5）和2個內部輸入。FX2有4個波形描述符控制各個狀態。這些波形描述符可以動態地配置給任何一個端點FIFO。例如，一個波形描述符可以配置為寫FIFO，而另一個配置為讀FIFO。FX2的固件程序可以把這些描述符配置給四個FIFO中的任意一個，配置后，GPIF將依據波形描述符產生相應的控制邏輯和握手信號給外界接口，滿足向FIFO讀寫數據的需要。GPIF的數據總線既可以是單字節寬（8位FD［7:0］）也可以是雙字節寬（16位FD［15:0］）。每個波形描述符包含了S0～S6 七個有效狀態和一個空閑狀態。在每個有效狀態對應的時間段里，經過預先設置，GPIF可以做以下幾件事情：（1）驅動（使為高或低）或懸浮6個輸出控制端;（2）采樣或驅動FIFO的數據總線;（3）增加GPIF地址總線的值;（4）增加指向當前FIFO指針的值;（5）啟動GPFIWF（波形描述符）中斷。除此之外，在每個狀態，GPIF可以對以下幾個信號中任意兩個進行采樣，它們是：（1）RDYX輸入端;（2）FIFO狀態標志位;（3）內部RDY標志位;（4）傳輸計數中止標志位。把其中兩個信號相與、相或或者相異或，根據結果跳轉到其它任意一個狀態或延遲1～256個IFCLK時鐘周期。當然也可以根據輸入端的信號進行跳轉或延遲。GPIF波形描述符通常用Cepress公司的GPIF工具（GPIFTOOL）進行配置。它是一個可運行于Windows平臺的應用程序，與FX2的開發包一起發布。

在這種方式下，所有的讀寫及控制邏輯通過CY7C68013 的GPIF以軟件編程的方式實現，且控制邏輯的變換方便靈活（只需要改變接口的一個配置寄存器的值）。電路連接如圖2所示。

本數據采集系統只用到了兩個輸出控制CTL0、CTL1和一個外部輸入RDY0，它們分別接MAX115的CONVST#、WR#和INT#。數據總線用雙字節，其中FD0～FD11接MAX115的數據輸入端D0～D11，FD12和FD13接控制字輸入端的A2和A3，FD0和FD1復用做控制字輸入端的A0和A1。MAX115的采樣基準時鐘由FX2的輸出時鐘經三分頻得到，為16MHz。對應四種數據傳輸方式（八種不同的采樣模式），GPIF的控制及握手信號波形有所不同。四通道同步采樣的時序圖如圖3所示。

在第一個判決點，若采樣數據已準備就緒，MAX115傳給GPIF一個負脈沖信號RDY0;根據此信號，波形按順序轉入2、3、4、5狀態，使指向內部FIFO的指針在每個時鐘上升沿加1，依次讀取四個數據，取完數據后利用CTL0的上升沿啟動下一次采樣。若在狀態1時沒有出現負脈沖，則直接跳轉到狀態6，之后重復執行此波形描述符。

三通道同步采樣時，讀取數據的狀態只需要持續三次。其它采樣模式控制波形的設計依此類推。

2.3 固件程序設計

固件程序是指運行在設備CPU中的程序。只有在該程序運行時，外設才能稱之為具有給定功能的外部設備。固件程序負責初始化各硬件單元，重新配置設備及A/D采樣控制。固件代碼的存儲位置有三種：第一種是存在主機中，設備加電后由驅動程序把固件下載到片內RAM后執行，即“重新枚舉”;第二種方法是把固件代碼固化到一片EEPROM中，外設加電后由FX2通過I2C總線下載到片內RAM后自動執行;最后一種方法是把程序固化到一片ROM中，使之充當外部程序存儲器，連在FX2三總線上。筆者選用第一種方式，這種方式便于系統的調試和升級。固件程序框圖如圖4所示。

3 用戶程序和驅動程序

3.1 驅動程序的編寫

該系統需要兩個驅動程序，即通用驅動和下載固件的驅動。通用驅動完成與外設和用戶程序的通信及控制;而下載固件的驅動則只負責在外設連接USB總線后把特定的固件程序下載到FX2的RAM中，使FX2的CPU重啟，模擬斷開與USB總線的連接，完成對外設的重新設置。主機根據新的設置安裝通用驅動程序，重新枚舉外設為一個新的USB設備。

通用驅動程序一般不需要重新編寫，用Cypress公司已經編好的驅動ezusb.sys;而下載固件的驅動則必須定做，其詳細操作過程見參考文獻［2］。

3.2 用戶程序的編寫

用戶程序是系統與用戶的接口，它通過通用驅動程序完成對外設的控制和通信。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設的連接，然后才能實施數據的傳輸。啟動采樣后，為了保證不丟失數據，用戶程序應該建立一個新的工作線程專門獲取外設傳來的數據。程序中主要用到兩個API函數：CreateFile（）和DeviceIoControl （）。CreateFile（）取得設備句柄后，DeviceIoControl （）根據該句柄完成數據傳輸。程序代碼簡要如下：

hDevice = CreateFile（″\\\\。\\EZUSB-0″）

GENERIC_READ | GENERIC_WRITE，

FILE_SHARE_WRITE，

NULL，

OPEN_EXISTING，

FILE_ATTRIBUTE_NORMAL，

NULL）;

If （hDevice == INVALID_HANDLE_VALUE）

{

Application-》MessageBoxA（“無法創建設備，請確認設備是否連上！”，NULL，IDOK）;

}

else

{

DeviceIoControl （

hDevice，

IOCTL_EZUSB_BULK_WRITE，

&blkctl，

sizeof（BULK_TRANSFER_CONTROL），

&inBuffer， //定義的數據緩沖區

sizeof（inBuffer），

&nBytes，

NULL）;

……

}

程序框圖如圖5所示。

在該高速同步數據采集系統的設計中，CY7C68013芯片靈活的接口和可編程特性簡化了外部硬件的設計，提高了系統的可靠性，也利于PCB板的制作與調試。另外，USB設備的可熱插拔特性使得該系統具有便攜式的特點，使用方便，無需關機重啟或打開機箱進行安裝。該數據采集系統已成功地應用于某型。

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