Niosll和USB接口的高速数据采集卡设计

1、Niosll和USB接口的高速数据采集卡设计Niosll和USB接口的高速数据采集卡设计引言随着现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、图像信号处理等一些高速、高精度的测量中，都迫切需要进行高速数据采集(如雷达信号分析、超音波信号分析)；而进行数字处理的先决条件是将所研究的对象数字化，因此数据采集与处理技术日益得到重视。在图像信号处理、瞬态信号检测、工业过程检测和监控等领域，更是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集与处理技术Niosll和USB接口的高速数据采集卡设计引 言随着现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、图像信号处理等一些高速、高精

2、度的测量中，都迫切需要进行高速数据采集(如雷达信号分析、超音波信号分析)；而进行数字处理的先决条件是将所研究的对象数字化，因此数据采集与处理技术日益得到重视。在图像信号处理、瞬态信号检测、工业过程检测和监控等领域，更是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集与处理技术。现在的高速数据采集处理卡一般采用高性能数字信号处理器(DSP)和高速总线技术的框架结构。DSP用于完成计算量巨大的实时处理算法，高速总线技术则完成处理结果或者采样数据的快速传输。DSP主要采用TI和ADI公司的产品，高速总线可以采用ISA、PCI、USB等总线技术。其中PCI卡或ISA卡安装麻烦，价格昂贵，受计算机插槽数量、地址、

3、中断资源的限制，可扩展性差，在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，易导致采集的数据失真。通用串行总线USB是为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，已逐渐成为现代数据发展趋势。基于USB的高速数据采集卡充分利用USB总线的上述优点，有效地克服了传统高速数据采集卡的缺陷。1 系统硬件设计本系统主要是基于USB2O的S1ave FIFO模式，在FPGA控制下完成双通道、不同速率的数据的采集和发送，全兼容USB2O总线接口标准，其数据的采样率可高达65 Msps；适用于较高速动态信号的实时记录采集，其硬件系统总体结构框图如图1所示

4、。该系统主要由信号调理模块、AD转换模块、触发模块、基于FPGA的主控模块、USB收发控制模块、片外存储器及其他辅助电路组成。调理电路与AD转换器，将传感器采集的模拟信号进行相关的信号调理后送入AD9244芯片转换为数字信号。处理后的数据送往FPGA主控模块，根据相关的控制信息，选择通过直接传输给上位机，或者先存储在外部SDRAM，然后经过相关的数字处理后再传输给上位机。2 系统模块介绍21 USB20专用微处理器CY7C68013ACY7C68013A是Cypress Semiconductor公司生产的一款集成USB2O的微处理器。它有3种封装形式56SSOP、100TQFP和128TQF

5、P，其结构框图如图2所示。CY7C68013集成了USB2O收发器、SIE、增强的8051微控制器和可编程的外围接口部件。其SIE可在全速(12 Mbs)和高速(480 Mbs)两种模式下运行，同样可以使用内部RAM来进行程序和数据的存储。GPIF和MasterSlave端口FIFO为ATA、UTOHA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了简单和无需附加逻辑的连接接口。其编程可以根据设计的需要进行，不需要CPU的干预，只需通过CPU的一些标志和中断即可进行通信。CY7C68013共有7个输入输出端口：EP0、EPlOUT、EPlIN、EP2、EP4、EP6、EP8，其中EP2、EP4、EP6、

6、EP8可以分别被配置为批量中断同步传输模式，传输方向均可配置为IO，端口EP2、EP6的缓冲区大小可编程为512或1 024字节，深度可编程为234倍大小；端口EP4、EP8的缓冲区大小固定为512字节，深度为2倍，采用不同的配置方式，可实现特定带宽和速率要求的数据传输。22 主控电路FPGA芯片EP2C8Q208EP2C8Q208主控电路如图3所示。FPGA芯片也是一种特殊的ASIC芯片，属于可编程逻辑器件，它是在PAL、GAL等逻辑器件的基础上发展起来的。同以往的PAL、GAL等相比，FPGA规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用。本文选用A1tera公司的FPGA芯片EP2C8Q20

7、8，完成数据采集卡的时序和地址译码电路设计。由于EP2C8Q208有36个M4K RAM，在FPGA内部设计一个16位宽度、4 KB深度的FIFO，使用FIFO提高数据采集卡对多通道信号的采集存储能力。FIFO有半满、全满、空标志位，当检测到半满标志位时，FIFO同时读写；全满时只读不写；空时只写不读。AD采样控制信号通过FPGA控制；PC机对采集后的数据作进一步处理，以提高精度，其中2选1模块，由主控制模块来控制，选择是直接将采集数据送给PC机处理，还是在内部进行DSP处理后再送给PC机。由于Nios是一个位于FPGA中的处理器软核，定制其外设就显得比较容易，在SOPC Builder(集成

8、到Quartus II工具中的为建立SOPC系统设计，提供标准化的图形设计环境。其由CPU、存储器接口、标准外围设备和用户自定义的外围设备组成)环境下，其定制逻辑的结构框图如图4所示。自定制的Avalon外设按照对总线操作的方式可分为：Avalon Slave外设和Avalon Streaming Slave(流模式)外设。在SOPC Builder图形设计界面下添加需要的内核。通过自动分配系统基地址和系统中断向量，手动分配CPU复位地址为外设Flash、CPU溢出地址为片上RAM和CPU调试断点地址为JTAG调试地址，就可由系统报告得知系统是否定制成功，如图5所示。23ADC芯片及外围电路设

9、计ADC外围电路框图如图6所示。信号调理部分选用高精度、低噪声、低输入偏置电流、宽带运算场效应放大器AD8ll进行信号的放大。模拟信号处理是影响系统性能的重要因素之一，设计时必须考虑两个方面：一是要保证信号质量，提高信噪比，尽量减少畸变；二是将信号变换成适合AD处理的幅度并提供足够的驱动能力。这里选用ADI公司的宽带运放AD811为放大器。AD8ll是一种电流反馈型的放大器，它具有10 MHz的低失真和单位增益带宽很宽的特点，使AD81l成为理想的高分辨率ADC缓冲器。之后针对信号进行档速变换。档速变换选用ADG系列产品。本设计选用的是一款四路独立选择的单片CMOS开关芯片，其设计基于增强的l

10、c2mos进程、可以提供低功耗、高转换速度和低阻抗性，当信号满足AD变换的要求后，根据采集要求将其由单端输入变换为差分的双端输出，芯片选用AD8138。AD8138具有较宽的模拟带宽(320 MHz，一3dB，增益为1)，可以将单端输入变成差分输出。AD转换的触发则由信号放大芯片AD811采集信号和DA转换芯片信号进行比较，当有效时，发出ADn_TRIG信号，其中DA转换芯片的输入标准信号(数字输入端)由FPGA来提供。当ADn_TRIG有效时，FPGA向AD9244发出控制命令(DIN、FORMAT、MODE、SCLK、sYNC、FSYNC信号)，启动AD转换。AD转换器的精密时钟由DDS电

11、路AD9859YSV提供。3 软件设计及实现系统软件设计包括3部分：固件程序、USB设备驱动程序和应用程序。整个软件实现的功能包括系统初始化、采样控制、数据传输和波形显示。31 固件程序设计固件程序辅助硬件实现设备双向交换数据，以完成USB通信，其主要功能是：接收并处理USB驱动程序的请求及应用程序的控制指令，控制AD转换器的采样。当首次插入USB时，FX2通过USB电缆会自动枚举且下载固件和USB描述符表；接下来，FX2再次枚举，这次主要通过下载的信息来定义设备。这两个步骤叫作重枚举。固件程序流程如图7所示。初始化包含各个初值的设置和关键点的电平检测。在Cypress公司的网站上，可下载CY

12、7(368013芯片的开发工具包。该开发包提供了一些开发固件程序所需的资源：Keil u Vision2集成开发环境(限制版)、Cypress C51固件框架程序以及一些例子程序。KeilCSl是一种专为8051单片机设计的高效率C语言编译器，符合ANSI标准，生成的程序代码运行速度极高，所需要的存储空间极小，完全可与汇编语言相媲美。同时，C51具有丰富的库函数，多达1O0多种功能函数。因此，采用C语言作为开发语言，以Keil uVision2作为工程开发平台，完成源代码的编写、仿真、调试，将在相当程度上降低固件开发难度，提高开发效率。32 USB设备驱动设计USB设备驱动程序的设计是基于WD

13、M(WindowsDriver Model，驱动程序模型)的。WDM采用分层驱动程序模型，分为较高级的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由两部分组成：较高级的通用串行总线模块(usBD)和较低级的主控制器驱动程序模块(HCD)。本设计用WinDK3O开发了Win2000下的驱动程序，实现了控制传输、中断传输和批传输的标准接口函数。在应用程序开发中，可用VC+编制应用程序。把USB设备当成文件来操作，用CreateFile得到USB句柄，用DevieeloControl来进行控制传输，用ReadFile、WriteFile进行批量传输。33 应用程序设计应用程序流程如图8所示。用户应用程序是数据采集系统的核心，其主要功能为：开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据