董文信，柴克謙，張福雄（湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

基于USB2.0的高速數據采集器設計

董文信，柴克謙，張福雄
（湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

USB2.0數據采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個方面，本文對基于USB2.0的高速數據采集系統(tǒng)進行了研究 ， 完成對USB2.0高速數據采集系統(tǒng)的硬件電路設計，而軟件方面則選取Cypress公司的FX2系列的芯片進行框架搭建和驅動軟件編寫。

硬件設計；軟件編寫；AD7862

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.126

0　引言

科學技術的發(fā)展使數據采集在各個方面的運用越來越多。因此應用背景對高速數據采集系統(tǒng)提出了越來越高的要求。USB2.0接口是計算機重要的外設接口，現如今已廣泛推廣開來，它具有使用方便，傳輸速度快、穩(wěn)定性高、占用系統(tǒng)資源少、與外部接口簡單等特點。因此選擇采用USB2.0來完成對數據的采集和傳輸，十分符合現如今的需求?；赨SB2.O的高速數據采集系統(tǒng)正是在這樣的趨勢下應運而生。設計開發(fā)時選擇了在市場上具有最優(yōu)的性價比的Cypress公司的EZ-USBFX2系列的CY7C68013芯片，以此為平臺開發(fā)高速數據采集器。

1　總體設計

設計高速數據采集器主要包括三個方面：高速數據采集芯片AD7862、硬件設計、軟件設計。

采集芯片AD7862：該芯片是AD公司生產的雙核12位A/D轉換芯片，即內置兩個可以同時工作的A/D轉換器，因此可以滿足高速采集數據的要求。兩個采樣放大器和兩個A/D轉換可以對兩路模擬輸入信號同時采樣和轉換。芯片正常運行時內置5V基準電壓且功耗只有60mW，所以適合USB設備使用。

在采集過程中，轉換開始低電平有效，下降沿觸發(fā)開始轉換，保持兩個采樣放大器保持平穩(wěn)。BUSY信號此時為高電平，表示轉換還未結束。直到A/D轉換完畢才回到低電平。轉換結束后AO用于兩路模擬信號（VA1、VA2和VB1、VB2）地址選擇。

2　硬件設計

EZ-USBFX2芯片：CY7C68013，具有高效GPIF和智能SIE特點，可使數據傳輸和采集達到USB2.0可通過率的最大值，而且能處理兼容性的問題，擴大了采集器的應用范圍。CY7C68013芯片可編程的外圍接口可以直接連接到并口，并可通過編程設置多種工作方式。

目前的高速數據采集器都應用與電腦等數據傳輸量大的設備，而USB2.0技術的開發(fā)就是為了滿足高速傳輸和采集的要求，在利用CY7C68013芯片開發(fā)過程中，GPIF（可編程接口）是CY7C68103的端點FIFO的內部控制器，可軟件設置讀寫控制波形，通常使用Cepress公司的GPIF開發(fā)工具實現。在波形設計完成后，GPIF將依據波形產生相應的控制和信號給外界接口。通過這種方法，對GPIF進行軟件編譯，可以實現FIFO的讀寫需要和控制邏輯。數據采集原理：利用GPIF模塊自主設計的優(yōu)點，來控制采集芯片AD7862對目標進行采樣，在采樣結束后將采樣結果通過GPIF傳送到CY7C68013的內部FIFO中緩存。

3　軟件設計

軟件設計包含了三個部分，有圖1所示的CY7C68013的固件，主機平臺上的設備驅動程序和應用程序。

圖1　

3.1固件設計

固件設計是指芯片上的固件程序設計，主要目的是控制芯片上的微控制器，接收和處理USB驅動程序請求，控制應用程序傳輸數據。在設計過程中，應用Cypress公司提供的開發(fā)平臺上，利用C語言進行開發(fā)，設計芯片上運行程序。

3.2驅動程序設計

USB驅動程序分為通用驅動和下載固件驅動，通用驅動指外設與目標端口連接產生通信，一般在Cypress的程序開發(fā)包中有，不需要編寫。而下載固件驅動是在外設與目標端口連接后，需要下載特定的固件程序，來重新設置通用驅動。

在程序運行后，每當有一個USB接口接入時，搭建好的軟件自動會將插入設備的信息為依據去調用相應的驅動和程序，之后通過USB設備驅動程序與USB服務接口進行通信，并由其產生傳送動作。而固件部分通過響應各種不同的USB請求，來完成各個數據的交換與處理。固件架構其實是用以連接了USB兼容的外圍設備的基本功能，在對最基礎的符表文件進行鏈接，對大的架構代碼做少些的修改或添加，以適應不同固件環(huán)境下的兼容問題，再如右上圖中鏈接cypress的子程序完善兼容功能。

其實整個系統(tǒng)就是對FPGA與主機的相互調節(jié)控制，通過微控制器的操作，我們得以將整個橋梁完整有機的搭建起來，對USB接口的控制，從而與計算機進行通信，還有對FPGA對話，設置工作模式，接口的控制都是系統(tǒng)實現的保證。

預期成果包括軟硬件系統(tǒng)一套，能實現上述方案的全部功能。

4　結語

隨著計算機技術的飛速發(fā)展， 數據的采集、存儲、處理以及控制要求越來越高，所以高速數據采集系統(tǒng)起到積極應用。憑借即插即用、總線供電、可擴展、傳輸速度快、數傳準確度高和使用方便等優(yōu)點，USB2.0的這些優(yōu)點使得USB設備得到了廣泛應用。目前，幾乎所有的計算機都支持USB總線。 本文主要從硬件和軟件設計兩個方面論述了高速數據采集的開發(fā)過程，重點闡述了硬件設計的原理、固件程序的設計思想、應用程序的設計、固件下載驅動程序的開發(fā) 。