高速USB數據采集系統的設計

在圖像處理、瞬態信號測量等一些高速、高精度的應用中，需要進行高速數據采集。USB 2.0接口以其高速率等優點漸有取代傳統ISA及PCI數據總線的趨勢，熱插拔特性也使其成為各種PC外設的首選接口。EZ-USB FX2是Cypress公司推出的集成USB 2.0的微處理器，它集成了USB 2.0收發器、SIE(串行接口引擎)、增強的8051微控制器和可編程的外圍接口。本文將介紹基于EZ-USB FX2系列CY7C68013芯片的高速數據采集系統的設計，該系統具有限幅保護功能，固件和驅動程序的編寫簡便，能夠完成對數據的高速采集和傳送。

數據采集系統方案設計

??? 數據采集系統的框圖如圖1所示，硬件電路如圖2所示。其中，AD1674是l2位模數轉換芯片，采用逐次比較方式工作。CPLD主要用于控制ADC以及FIFO的時序、控制ADC的啟動與停止和查詢ADC的狀態等。FIFO主要起著高速數據緩沖的作用。

圖1 數據采集系統框圖

圖2 系統硬件電路

??? CY7C68013和AD1674之間通過CPLD連接，實現相關控制線和數據線的譯碼。在CY7C68013的控制下，首先對AD1674進行間隔采樣，然后把結果傳送到FIFO中，當采集到一定量的數據后，CY7C68013將數據打包通過USB總線傳到PC，由高級應用程序進行數據處理。擴展的RS232接口可以和外部設備進行通信。上電時，CY7C68013從外部的E2PROM中通過I2C總線自動裝載到內部的RAM中，便于固件的修改和升級。

??? 數據采集前端的調理電路如圖3所示，本設計采用了限幅、降壓、濾波和增加輸入阻抗的措施來保護后端的轉換芯片。

驅動程序和固件設計

??? USB設備驅動程序基于WDM。WDM型驅動程序是內核程序，與標準的Win32用戶態程序不同，采用了分層處理的方法。通過它用戶無須直接與硬件打交道，只需通過下層驅動程序提供的接口訪問硬件。因此，USB設備驅動程序不必具體對硬件編程，所有的USB命令、讀寫操作通過總線驅動程序轉給USB設備。但是，USB設備驅動程序必須定義與外部設備的通信接口和通信的數據格式，也必須定義與應用程序的接口。Cypress公司提供了完整的CY7C68013驅動程序源碼、控制面板程序及固件的框架，這大大加快了用戶開發的進度。用戶只需稍加修改或無須任何修改即可使用現有驅動程序，軟件開發者大量的時間主要集中在應用程序和固件的開發。根據用戶自己的需求，一般只需修改DeviceIoControl例程。本設計主要增加了控制數據傳輸函數、啟動和停止ADC、復位FIFO等。Cypress為CY7C68013提供了開發框架，其中兩個程序如下。

??? FW.C：FW.C中包含了程序框架的MAIN函數，管理整個51內核的運行，因為這部分的功能已經進行了精心劃分，一般是不用改動的。

圖3 調理電路

??? PERIPH.C：用戶必須將PERIPH．C實例化，它負責系統周邊器件的互聯。固件的設計主要針對這個文件，用戶必須根據自己系統的需要，實例化這個文件，以實現所需的功能。在固件程序中，最重要的是TD_init（）和TD_poll（）這兩個函數。以TD_poll（）函數為例，在TD_poll（）中主要完成外部FIFO狀態的檢測和數據的傳輸，程序主體部分如下。固件調試時，可以使用Cypress提供的EZ-USB control panel。
Void TD_Poll(void)
{
If(GPIFTRIG & 0x80) //判斷GPIF是否空閑
{
If(EXTFIFONOTEMPTY ) //判斷外部FIFO是否非空
{
If(!(EP24FIFOFLGS & 0x01)) //判斷FIFO是否不滿
{
IF(enum_high_speed)
{
SYNCDELAY;
GPIFTCB1=0x02; //設置處理計數
SYNCDELAY;
GPIFTCB0=0x00;
SYNCDELAY;
}
Else
{
SYNCDELAY;
GPIFTCB1=0x00;
SYNCDELAY;
GPIFTCB0=0x20;
SYNCDELAY;
}
Setup_FLOWSTATE_Read();
SYNCDELAY;
GPIFTRIG=GPIFTRIGRD|GPIF_EP2;
SYNCDELAY;
While(!(GPIFTRIG & 0x80))
?{;}
SYNCDELAY;
}
}
}
}