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具有USB2.0接口的高速數據采集卡設計
摘要：討論基于USB接口的高速數據采集卡的設計與實(shí)現。詳細講述數據采集卡的硬件部分設計，并簡(jiǎn)要介紹固件程序、驅動(dòng)程序和應用軟件的設計。引言
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，并且實(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，都需要進(jìn)行高速數據采集�，F在通用的高速數據采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，這些采集卡存在很多缺點(diǎn)，比如安裝麻煩，價(jià)格昂貴，尤其是受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差。
通用串行總線(xiàn)USB是用來(lái)連接外圍設備與計算機之間的新式標準接口總線(xiàn)。它是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價(jià)的并可以實(shí)現熱拔插的串行接口。USB技術(shù)是為實(shí)現計算機和通信集成而提出的一種用于擴充PC體系結構的工業(yè)標準�；赨SB接口的高速數據采集卡，充分利用了USB總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，它也必將被越來(lái)越多的用戶(hù)所接受。
1 USB數據采集卡原理
1.1 USB簡(jiǎn)介
USB是英文Universal Serial Bus的縮寫(xiě)，中文含義是“通用串行總線(xiàn)”。它支持在主機與各式各樣即插即用的外設之間進(jìn)行數據傳輸。它由主機預定傳輸數據的標準協(xié)議，在總線(xiàn)上的各種設備分享USB總線(xiàn)帶寬。當總線(xiàn)上的外設和主機在運行時(shí)，允許自由添加、設置、使用以及拆除一個(gè)或多個(gè)外設。USB總線(xiàn)技術(shù)的提出就是想利用單一的總線(xiàn)技術(shù)，來(lái)滿(mǎn)足多種應用領(lǐng)域的需要。USB1.1協(xié)議支持兩種傳輸速度，即低速1.5Mbps和高速12Mbps。為了在高速接口之爭中占有一席之地，2000年發(fā)布了USB2.0協(xié)議，它向下兼容USB1.1協(xié)議，數據的最高傳輸速率提高到480Mbps，這就使USB對打印機和其它需要快速傳遞大容量數據的外設更具吸引力。
為了滿(mǎn)足實(shí)際數據采集USB傳輸速度較高的需要，選擇了Cypress公司的內置USB接口微控制器芯片EZUSB FX2系列，開(kāi)發(fā)了具有USB接口的高速數據采集卡。
1.2 系統框圖
USB系統是一個(gè)主從系統，而非對等（peer-to-peer）系統。在主從系統中，命令是由主設備發(fā)出，而從設備只能接收命令，只有在主設備讀取數據時(shí)，從設備才能提交數據。如圖1所示，在USB控制器與外圍電路之間需要一個(gè)FIFO，來(lái)充當數據的緩存區。那么，在USB從設備向主設備發(fā)送數據時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題：FIFO多大才能滿(mǎn)足要求。為了滿(mǎn)足數據采集中高速實(shí)時(shí)流數據垢應用，避免FIFO溢出，在我們的系統中，通過(guò)FPGA及SDRAM構造一個(gè)容量的FIFO（圖1虛線(xiàn)框內所示），可以提供一個(gè)低成本并能滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)流數據傳輸的解決方案。
圖2
2 USB數據采集卡硬件
2.1 EZ-USB FX2（CY7C68013）芯片
Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是最早符合USB2.0協(xié)議的微控制器之一，它集成了符合USB2.0協(xié)議的收發(fā)器（transceiver），串行接口引擎（SIE），增強型的8051內核以及可編程的外圍接口。FX2系列芯片獨特的結構使得數據傳輸速度最高可達56Mbps，最大限度地滿(mǎn)足了USB2.0的帶寬。
EZ-USB FX2的微處理器是一個(gè)增強型的8051內核，性能可達標準8051的5～10倍，并與標準8051的指令完全兼容。增強型的8051內核使用RAM世馘 作程序指令和數據存儲器，從而使得EZ-USB FX2具有“軟”特性，也就是說(shuō)，可以通過(guò)自行編寫(xiě)程序指令來(lái)實(shí)現所需的功能。EZ-USB FZ2使用增強型SIE/USB接口（稱(chēng)為USB核），通過(guò)執行USB部本身的協(xié)議來(lái)簡(jiǎn)化8051代碼編寫(xiě)的工作。這樣采用硬件完成USB塄，簡(jiǎn)化了固件代碼的編制。對于固件代碼的使用，主機通過(guò)軟件下載的方法實(shí)現。這種方法充分利用FZ2內部的8KB RAM來(lái)裝載8051代碼和數據。由于EZ-USB FZ2具有重新枚舉的能力，所以在初始化枚舉時(shí)，用戶(hù)并不需要斷天設備就可以裝載新的描述符。設備描述符和8051程序代碼都能通過(guò)主機中的磁盤(pán)文件下載，只有制造商號、產(chǎn)品號和設備號從啟動(dòng)時(shí)從一個(gè)16字節的EEPROM下載到硬件中的。通過(guò)這種方式，可以比較容易地從主機升級軟件和修改USB總線(xiàn)設備的固件代碼。
EZ-USB FX2的通用可編程接口GPIF以及Master/Slave端點(diǎn)FIFO所對應的8/16位數據總線(xiàn)，可以很容易地實(shí)現FX2與當前一些主流通過(guò)接口（如ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和大部分DSP處理器）的互連。它共有7個(gè)端點(diǎn)，端點(diǎn)0，端點(diǎn)1和IN和OUT，還有端點(diǎn)2、4、6和8。其中，前3個(gè)端點(diǎn)的大小是固定的64字節，后4個(gè)端點(diǎn)默認大小是2級512字節的FIFO，端點(diǎn)2和端點(diǎn)4默認是OUT端點(diǎn)，端點(diǎn)6和端點(diǎn)8默認是IN端點(diǎn)，而端點(diǎn)2和6分別可以定義為2級、3級或4級的存儲器，每級的大小也可以是512字節或1024字節。從EZ-USB FX2方向來(lái)看，一個(gè)端點(diǎn)相當于通過(guò)總線(xiàn)收發(fā)數據的緩沖區，EZ-USB FX2從OUT緩沖區中讀取端點(diǎn)數據，將通過(guò)USB傳的端點(diǎn)數據寫(xiě)入IN緩沖區。它求全責備速（12 Mbps）和高速（480 Mbps）傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規定的4種傳輸方式，即控制方式（control mode）、中斷傳輸方式（interrupt mode）、批量傳輸方式（bulk mode）和等時(shí)傳輸方式（isochronous mode）。
EZ-USB FX2系列是基于RAM的“軟”結構，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中允許無(wú)限制設置和升級；它支持全速USB總線(xiàn)吞吐量的傳輸，使用EZ-USB FX2進(jìn)行設計，可以不受端點(diǎn)數、緩沖區大小和傳輸速度的限制；此外，其內核中做了大量的輔助指令，簡(jiǎn)化了編碼，同時(shí)也加快了對U
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