（测试计量技术及仪器专业论文）基于usb20的多路高精度数据采集系统的研制.pdf

摘要 摘要 本论文以基于u s b 2 0 接口和大规模f p g a 实现的高精度多路数据采集系统 研制为主要内容，论述了利用高精度模数转换芯片a d s 8 3 2 2 、x i l i n x 公司s p a r t a n 系列f p g a 芯片x c 2 s 2 0 0 e - p q 2 0 8 、c y p r e s s 公司的e z - u s bf x 2 系列的 c y 7 c 6 8 0 1 3 等芯片组成的一套数据采集系统的设计方案、开发技术和开发过程。 u s b 是近年来在计算机领域日益流行的一种总线形式。由于它的诸多优点， 有关u s b 在各方面应用的研究正在不断开展。在数据采集领域，基于u s b 的数据 采集装置不但具有速度快，容易扩展等特点，而且由于即插即用的功能，使它能 适合更广泛的应用场合。 全文共分五章。本论文首先讨论了当前实时数据采集系统面临的问题和u s b 总线突出的优点，简要介绍了系统框图和本设计的主要工作和论文的主要内容。 在第二章给出了本设计基于u s b 的数据采集控制系统的主要指标和特点。根据要 设计的系统的要求，给出了硬件电路框图，通过比较，选取了u s b 通信接口芯片 和a d 芯片，并对c y p r e 豁公司的e z - u s b 芯片和1 1 公司的a d s 8 3 2 2 作了简单介 绍。简要介绍了大规模f p g a 方案的选择及选用的f p g a 开发板。系统分成硬件 设计和软件设计。第三章详细介绍了系统硬件的设计，硬件的设计包括信号模数 转换接口电路设计、数据采集与传输控制电路设计和u s b 接口硬件电路设计三大 部分。在模数转换接口电路部分，论述了八路模拟信号在送d 转换器之前先进 行信号调理( 即信号放大及低通滤波) ，再经数据选择器选出其中一路进行模数变 换的过程的工作原理，给出了各个部分的具体设计电路及性能分析，最后论述了 p c b 布线时干扰抑制的原则和措施。在数据采集与传输控制电路设计部分，给出 了该模块的内部结构设计详图，接着详细论述了f p g a 内部各个功能电路的设计 思路和具体实现过程。最后给出了u s b 接口硬件的详细电路图。第四章详细介绍 了软件的设计，该软件包括固件程序、驱动程序和应用程序三大部分，首先详细 论述了固件程序的开发过程和本设计中的固件程序代码，然后详细介绍了本设计 固件程序的设计思路。在应用程序部分，提出了在计算机上基于m a t l a b 的应用程 序设计方法。本设计是在w i n d o w s2 0 0 0 下，使用v c + + 6 0 编写m a t l a bs i m u l i n k 的s 函数( s - f i l n c t i ) 来实现和u s b 接口的通信。这是本论文设计的新颖之处。 最后在采集模块测试部分给出了采集模块的用户界面和采集数据的波形，从中可 摘要 以看出，开发的数据采集模块经过实际的采集测试，完全满足技术要求。 关键词：u s b 2 0 ，f i f o ，f p g a ，d ，固件程序，s 函数 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l yc o n c e r n e dw i t ht h ed e s i g no fah i g hp r e c i s i o na n d m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s b 2 0i n t e r f a c ea n dl a r g es c a l e f p g a t h ed e s i g ns c h e m e ，d e v e l o p i n gm e t h o da n dd e v e l o p i n gp r o c e s so fas u i to fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mu s e dh i g hp r e c e s i o na d c c o n v e r t e ra d s 8 3 2 2a n dx i l i n x ss p a r t a n 妊x c 2 s 2 0 0 e - p q 2 0 8a n dc y p r e s s se 嚣u s bf x 2 a r ee x p a t i a t e d u s bi sat y p eo fc o m p u t e rb u sw h i c hi n c r e a s i n g l yp r e v a i l si nr e c e n ty e a r s w i t h u s b h a v i n gm a n ya d v a n t a g e ，t h er e s e a r c ho fa p p l i c a t i o na b o u tu s b i nm a n yf i e l d si s d e v e l o p i n g i nt h ef i e l do f d a t aa c q u i s i t i o n , d a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e sb a s e do nu s bn o t o n l yh a v et h ea d v a n t a g eo fs p e e do nd a t aa c q u i s i t i o n ，b e i n gc o n v e n i e n t l ye x p a n d e d ，b u t a l s oa r ea b l et ob ea p p l i e dt om o g eb r o a df i e l d sw i t hp 1 g - a n d p l a yf u n c t i o n t h e r ea r e5s e c t i o n st o t a l t h ep a p e rf i r s t l yd i s c u s s e sp r o b l e m st h a tr e a l - t i m ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m sa r eb e i n ga n de x c e l l e n ta d v a n t a g e so fu s b t h es y s t e ms c h e m ei s i n t r o d u c e db f i c n y t h em a i nw o r ka n dt h em a i nc o n t e n ta r ea l s oi n t r o d u c e di nb r i e f i n c h a p t e r2 ，t h ep a p e rp r e s e n t sk e yf e a t u r e sa n ds p e c i f i c a t i o n so ft h i ss y s t e m t h ec i r c u i t i sd e s i g n e db a s e do nt h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m t h ea 加a n du s bi n t e r f a c e 馥秘 a r es e l e c t e da n de x p l a i n e ds u m m a r i l y t h ep a p e ra l s ob r i e f l yi n t r o d u c e sh o wt oc h o o s e l a r g es c a l ef p g a , a n dc o n s e q u e n t l yc h o o s eaf p g ae v m a sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h es y s t e md e s i g nc o n s i s t so fh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n i nc h a p t e r3 ，t h e p a p e rp r e s e n t sh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m t h eh 甜d w a r ed e s i g ni n c l u d e sa n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e rc i r c u i td e s i g n ，c o n t r o lc i r c u i td e s i g na n du s b i n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n i nt h ea d cc i r c u i td e s i g n , t h ep a p e ri n t r o d u c e ss i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n d1 8 m u l t i p l e x e r t h es i g n a li sf i l t e r e d , a m p l i f i e da n dd i g i t i z e di nt h es i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i t t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g ni nd e t a i l ，a n da n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eb ye d a t 0 0 1 i na d d i t i o n , i td i s c u s s e se m c p r o b l e mi nc i r c u i td e s i g n i nt h ec o n t r o lc i r c u i t ，t h e p a p e ri n t r o d u c e sf p g ad e s i g n 纽d e t a i l f i n a l l yt h ed r c n i ts c h e m a t i cd i a g r a mo fu s b i n t e r f a c ei sp r e s e n t e d i nc h a p t e r4 i ti n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e s i g ni nd e t a i l s o f t w a r e o ft h i ss y s t e mc o n s i s t so f3p a r t s ：f l r m w a r e ，d r i v e ra n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e a tf i r s tt h e p a p e ri n t r o d u c e sf i n l l w a r ed e s i g na n dp a r to fs o u r c ec o d e i nd e t a i l 。i na p p l i c a t i o n h i a b s 仃a c t s o f l w 3 x ed e s i g n ，t h ep a p e rp r e s e n t sd e s i g nm e t h o d so fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，w h i c hi s b a s e d0 1 1m a t l a bs i m u l i n ks f u n c t i o n t h i ss y s t e mt a k c sm a t l a bs i m u l i n kb a s e d s f u n c t i o na si t sa p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n du s e ri n t e r f a c eu n d e rw i n d o w s2 0 0 0 t h i si s a ni n n o v a t i v ew o r ko fm i n e i nt h ed a t aa c q u i s i t i o nt e s t i n g , a ns i m u l i n kt e s tm o d u l ei s p r e s e n t e d t h es y s t e ma c q u i r e ds i n ew a v es i g n a lf r o mas i g n a lg e n e r a t o r , a n dp e r f o r m e d t h ef f tc a l c u l a t i o nt oc e n i f yt h a tt h i ss y s t c mc a nw o r kf i n e k e y w o r d s ：u s b 2 0 ，f i f o ，f p g a , a d ，f i r m w a r e ，s f u n c t i o n i v 独戗性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得麓研究成果。据我所知，除了文中特剐加戳标注和数谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 势获得电子秘羧大学或箕它教弯机构豹学位或 委书焉傻孀过的耪耨。 与我一同工作的同志对零研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说臻著表示澎意。 签冬；奎虹魄娜7 年蚋2 丑 关予论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 韵娥定，有权保留并向躅家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阂。本入授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制筝敬保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：鲞叠坚导师签名： 、 嚣期：溯， 1 孕狠嘞笔 年；莠1 2 箱 第一章引言 1 1 选题背景和研究现状 第一章引言 数据采集在现代工业生产及科学研究中的重要地位日益突出，并且对实时高 速数据采集的要求也不断提高；在信号测量、图像处理、音频信号处理等一些高 速、高精度的测量中，都需要进行高速、高精度的数据采集。这就对数据采集系 统的设计提出了两个方面的要求：一方面，要求接口简单灵活且有较高的数据传 输率；另一方面，由于数据量通常都较大，要求主机能够对数据做出快速响应，并 及时进行分析和处理。本课题设计的基于u s b 接口和f p g a 的高精度数据采集系 统就是适应这些要求而提出的。 常见的数据采集系统与计算机的通讯接口一般有p c i 总线、i s a 总线或者是 r s 2 3 2 串行总线。p c i 总线虽然具有较高的传输速度，并支持“即插即用”功能， 但是插拔都需要把计算机机箱打开才能进行，非常麻烦，且扩展有限；i s a 总线也 存在同样的问题，而且该总线已经淘汰；r s 2 3 2 串行总线虽连结简单，但传输速 度慢( 5 6 k b p s ) ，难以适应高速数据传输的要求，而且主机的串口数目有限。近年 来随着u s b 接口技术和i e e e l 3 9 4 接口技术的完善，改变了串口速度慢的状态， 使得新型串行接口这一高速与低成本结合的产物成为当前接口技术发展的一个热 点。i e e e l 3 9 4 主要使用在高速的影像或者连接设备没有p c 主机的场合，不过由 于i e e e l 3 9 4 的外围电路较复杂且昂贵，很多计算机都没有配置i e e e l 3 9 4 接口， 使其应用受到一定的限制。 通用串行总线接口u s b ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s ) 是用来连接外围设备与计算机 的新式标准接口总线。u s b 接口是一种重要的计算机外设接口，它支持热插拔和 即插即用，因此使用非常方便。而且传输速率高，u s b l 1 支持1 2 m b p s ，而u s b 2 0 支持高达4 8 0m b p s 的数据传输速率。u s b 接口实现了计算机与多个外围设备的简 单高速互联；既省去计算机外部过多电缆，又避免了象p c i 接口那样的插入式接 口板带来的操作危险性及笔记本电脑无处可插的尴尬。由于上述明显的优点，u s b 接口得到了广泛的使用，现在的计算机都配有这种接口。因此，将u s b 技术应用 于数据采集是非常适合的【1 1 。 目前数据采集系统朝着高速和高精度的方向发展。随着f p g a 现场可编程门 电子科技大学硕士学位论文 阵列) 的集成度和运行速度的提高，可以满足高速数据采集系统的需求。f p g a 技 术的发展使得单个芯片上集成的逻辑门数越来越多，能完成的任务越来越复杂。 f p g a 内部具有丰富的存储单元，易于实现各种存储器( 如f i f o 、双口r a m 等) 。 而且器件所具有的用户可编程特性，大大地缩短系统设计周期，减小设计费用， 降低设计风险。利用系统的在线可编程( i s p ) 能力，使系统内硬件的功能可以像 软件一样被编程配置，从而可以实时地进行灵活的功能改变。正因为f p g a 具有 抗干扰能力强、处理速度快、编程速度快、编程方便等优点，所以将f p g a 技术 引入到数据采集系统中，无疑会使其体积更加小巧，性能更加优越。 鉴于此，本课题采用了高速u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 、x i l i n x 公司的大 规模s p a r t a n - 2 e 系列f p g a 和高精度模数转换器件a d s 8 3 2 2 来实现高速、高分辨 力的8 通道数据采集系统。该多通道、高速、高分辨力数据采集系统支持多达8 路模拟输入，在分辨力达到1 6 b i t 的情况下，可以支持最高5 0 0 k s p s 的采样速率。 它对8 路模拟输入采取依次轮转采集转换的方式，因此在采集8 路信号时，每路 也可以达到6 2 5 k k ( 5 0 0 l h z 8 ) 的采集速率。由于在设计中采用了f p g a 、m c u 以及计算机共同对信号进行处理，因此系统功能灵活，扩展能力强。此外，它还 具有使用方便、廉价、功耗低、体积小的特点，具有一定的市场应用价值。 1 2 课题的主要研究工作 本文论所描述的数据采集硬件系统的框图如图1 - 1 所示。 数据采集系统一共包含四个部分：数据采集模块( 包括信号调理、a d c 等等) 、 数据存储和控制部分( f p g a ) 、数据传输接口( u s b ) 和位于计算机上的驱动程 序和应用程序。 u s buf p g a从 滤波、1 8 选择器 计算机 n州州a d c 等等 8 路模拟信 号输入 图1 1 系统框图 具体过程是：在数据采集模块中，模拟信号被放大滤波后，再被转换为数字 信号，并在f p g a 的a d c 接口控制逻辑控制下，把采样值存于f p g a 内部f i f o 中，f p g a 内部f i f o 的数据由f p g a 的u s b 接口控制逻辑取出，通过u s b 控制 器c y 7 c 6 8 0 1 3 传输至p c 机，p c 机完成数据存储或后处理。f p g a 为整个系统提 2 第一章引言 供时序，控制系统的同步，完成a d 控制和u s b 控制以及提供时钟和片选信号等。 在本系统的设计中，除了f p g a 硬件电路采用了一块x i l i n x 公司的开发板以 外，整个数据采集系统其余的硬件和软件设计都由本论文完成。作者完成的主要 工作包括： 完成了a d c 板的硬件原理图设计和p c b 绘制与调试。 设计了f p g a 内部功能模块及控制程序。 完成了u s b 接口的硬件原理图设计和p c b 绘制与调试。 编写了c y 7 c 6 8 0 1 3 的固件程序。 编写了基于m a t l a bs i m u l i n k 的计算机主机应用程序。 完成了系统软、硬件的联调和性能测试。 1 3 论文的主要内容 本论文遵循系统设计的思路和顺序对高精度u s b 数据采集卡的设计进行介绍 和论述，此过程包括系统方案设计、硬件设计、软件设计。 在系统方案设计部分根据系统性能指标的要求，在充分调研了一些参考设计 和器件的基础上，确定了系统方案。对方案中采用的关键技术、器件选择和设计 方案、思路进行论述。 在硬件设计部分讲述如何实现系统设计中有关电路硬件的部分。f p g a 的设计 工作虽然看起来象软件的工作，但它的设计思路完全是硬件设计的思路，因此 f p g a 的设计应归结为硬件设计。在这一部分把f p g a 的设计作为重点来介绍。 本设计采用f p g a 、微控制器( m i c r oc o n t r o lu n i t - m c u ) 和计算机的混合系 统，采用计算机的u s b 接口作为数据传输接口。软件设计工作包括m c u 的 f i r m w a r e ( 固件程序) 的设计、计算机上u s b 接口驱动程序的设计、计算机上应 用程序的设计等几部分。m c u 在f p g a 和计算机之间起着桥梁的作用，它要对 u s b 接口进行控制，实现与计算机的通讯，接受计算机的控制，要对它与f p g a 的接口进行设置和控制，还会与f p g a 进行对话以实现对f p g a 的工作模式进行 设置。本系统的应用程序采用基于m a t l a bs i m u l i n k 的s 函数，这是本系统新颖之 处。 由于系统开发过程中涉及了硬件设计，微控制器软件设计和p c 机软件设计， 因此本设计的难度表现在软、硬件的混合设计，m c u 软件和p c 机软件的联合设 计等综合技能和全面的软、硬件知识。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章数据采集系统方案设计 按照设诗要求，本系绕必缓兵有舞下鹣猎标和特点： 输入通道：8 通道单端输入，b n c 接口 输入范嗣：0 2 5 v 采撵分辨力：1 6 霞 最大采样速率：5 0 0 k s p s f p g a 内缓存深度；2 0 4 8 ，位宽1 6 b i t s 总缓存深度( 包括f p g a 内缓存秘c y 6 8 0 1 3 冀内缓存) ：2 0 4 8 + 5 1 2 ，缓 存霞宽势1 6 b i t s u s b l 1 和u s b 2 0 滚容驱动程序，支持w i n d o w s 9 8 m e 2 0 0 0 x p ，即插 即用。 搀洪基予m a t l a bs i m u l i n ks 丞数豹疲麓程痔，方艇采集鼗攥戆分辑、经理。 采用f p g a 、m c u 、计算机协同处理，具有灵活的软件式配骶结构，可以 通过改霹软件实现灵活的功能。 2 总体框图 该系统主要分为a d 转换模块、f p g a 模块、u s b 接口和计算机成用模块四 大郄分，系绞续魏摧霆翔图2 - 1 赁示。 黧2 - 数据暴纂系统嚣理捱蚕 4 第：章数据采集系统方案设计 采震熬嚣终煮要毒褰速援数转换芯冀a d s 8 3 2 2 、x i l i n x 公霉s p a r t a ni i 系奠 的f p g a 芯片x c 2 s 2 0 0 e - p q 2 0 8 和c y p r e s s 公司的u s b 控制芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 。 系统工作过程为：主机通过c y 7 c 6 8 0 1 3 给数据采集系统一个采样控制命令， 该命令存入f p g a 的控钊寄移器孛，f p g a 根据该念令囱a n ) 转换嚣发出提应控 懿信号；由予a d c 采样率为5 0 0 k h z ，为精p e 运行速度耜匹配，在f p g a 内部生成一个f i f 0 缓存器。a d 转换器在f p g a 的a d c 接口控制电路的控制 下，恕模拟信号转换为数字信号，并将指定邋道的采样数攒存入f p g a 的内部f i f o 缓狂。霹露f p g a 鹣u s b 矮蜀控裁逻瓣鲞谗c y 7 c 6 8 0 1 3 是否黧溺，魏莱 c y 7 c 6 8 0 1 3 空闲，那么由f p g a 的u s b 接口控制逻辑将指定通道的采样结果从 f p g a 的内部f i f o 缓存送入c y 7 c 6 8 0 1 3 的内部f i f o 。当c v 6 8 0 1 3 内部的h f o 容豢达到一定纛魔螽，c y 7 c 6 8 0 1 3 鑫动将数据打包传送绘p e 撬。由予潮终程旁把 c y 7 c 6 8 0 1 3 设爨为特定的自动模式，爵既c y 7 c 6 8 0 1 3 在把数据送往p c 祝期间的 所肖操作不需要c y 7 c 6 8 0 1 3 中c p u 的干预，从而保证足够的数据传输速率。采 样过程中f p g a 的u s b 接口控制逻辑依次段走批量数据，在u s b 接鞠打包传送 辩a 街餐撩续转换，f p g a 舞部f i f o 邀被褥续写入转换终莱。 2 2u s b 接口芯片简介 2 2 1u s b 2 0 芯片的选择 本系统中由于采样速率为5 0 0 k h z ，i t 化位宽为1 6 b i t ，因此采样数据总的位 黄簸速率为1 6 b i t * 5 0 0 k s = 8 0 0 0 k b r s ，该谨输速率低子u s b l 1 豹1 2 m b p s 敬接输 速攀，更远低予u s b 2 0 静4 8 0 m b p s 的传输速率。因藏我髓的系统采用u s b 接墨 作为采集卡到计算机的数据传输接口是十分合理的选择。 u s b 2 。0 接口是本数据采繁系统的核心之一，选择合邂的芯片是关键。目前可 供选择夔u s b 弪割器主要霄涎耱，瑟带u s b 缓盈懿萃片糗帮专矮u s b 憨线续叠芯 片。 专用u s b 总线接口芯片内部不带m c u ，而仅仅负责处理u s b 通信，必须有一个 终黟豹处理器采宠成势议处壤秘数据交换。较兔典型戆蕊冀包括p h i l i p s 公司黪 p d l u s b d ll 、p d i u s b d l 2 ，n s 公葡u s b n 9 6 0 2 9 6 0 3 9 6 0 4 ，n e t c h i p 公司的n e t 2 8 8 8 等。但这种方案的设计和调试比较麻烦，所构建的系统不够灵活，适合功能比较 简单的应用1 2 1 。 5 电子科技大学硕士学位论文 带u s b 接口的单片机可分为两大类。一类是专门用于u s b 控制的单片机，如 c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 3 5 1 3 ( 低速) 、c y 7 c 6 4 0 1 3 ( 全速) ，由于这类单片机是专门 针对u s b 接口控制器设计的，其芯片价格、开发工具成本等较为昂贵，性能也比 较低且缺乏灵活性；另一类是在普通单片机基础上增加了u s b 接口的增强型单片 机，如i n t e l 公司基于8 0 5 1 的8 x 9 3 1 、基于增强型8 0 5 1 的8 x 9 3 0 、c y p r e s s 公司基 于8 0 5 1 的e z - u s b 系列，这类u s b 总线控制器具有系统结构和指令集与8 0 5 1 兼 容的特点，其开发工具简单、开发成本低廉 z l 。为了满足系统对带宽和实时性的要 求，提高系统的可靠性、可扩展性和易开发性，选用了c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 系列的芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 。 2 2 2e z u s bf x 2 芯片简介 c y p r e s ss e m i c o n d u c t o r 公司的e z u s bf x 2 是世界上第一款集成u s b 2 0 的微 处器，它集成了u s b 2 0 收发器、s i e ( 串行接口引擎) 、增强的8 0 5 1 微控制器和可 编程的外围接口。f x 2 可使数据传输率达到u 8 8 2 0 允许的最大带宽5 6 邶s 。在 f x 2 中，通过硬件智能s i e 可以直接实现许多u s b i 1 和u s b 2 0 协议，从而减少了 开发时间并确保了u s b 的兼容性。g p i f ( g e n e r a lp r o g r a m m a b l ei n t e r f a c e ) 和主 从端点f i f o ( 8 位或1 6 位数据总线) 为a t a 、u t o p i a 、e p p 、p c m c i a 和d s p 等提 供了简单的无缝连接接口。f x 2 为u s b 外设提供了一种高度集成的解决方案，极大 地降低了u s b 设备的开发难度【1 】o 2 2 2 1c y 7 c 6 8 0 1 3 的结构框图 作为世界上第一款u s b 2 0 的控制器，f x 2 既有e z - u s b 系列产品的普遍特点， 又有其独有的性能特点。c y 7 c 6 8 0 1 3 是c y p r e s s 公司推出的一个带u s b 2 0 内核、 8 0 5 1 兼容的e z - u s bf x 2 单片机。c y 7 c 6 8 0 1 3 的结构框如图2 - 2 所示【3 l 。 6 第二章数据采集系统方案设计 图2 - 2c y 7 c 6 8 0 13 的结构框图 2 2 2 2c y 7 c 6 8 0 1 3 的主要性能特点 e z u s bf x 2 的独特设计使得c y 7 c 6 8 0 1 3 具有如下特点： 1 在单片中集成了u s b 2 0 收发器、s i e ( 串行接口引擎) 和增强的8 0 5 1 微处理器。 3 4 5 6 7 8 9 软件运行：8 0 5 1 程序从内部r a m 开始运行，程序可以通过u s b 总 线下载，或者从e e p r o m 中装载，或者使用外部存储器( 只支持1 2 8 管脚的封装) 。 四个可编程b u l k i n t e r r u p t i s o c h r o n o u s 端点。缓冲方式有： 双缓冲、三倍缓冲和四倍缓冲。 集成工业标准的8 0 5 1 内核，具有以下增强特性：高达4 8 m h z 的时钟； 每条指令四个时钟周期；两个u s a r t ；三个计数器定时器；扩展的 中断系统；两个数据指针。 通过再枚举方式支持总线供电。 3 3 v 电源系统。 智能的串行接口引擎( s i e ) 。 8 0 5 1 可工作在4 8 m h z 、2 4 m h 眨、1 2 m h z 三种时钟频率。 四个集成f i f o ，可以同1 6 位总线进行自动转换；可工作在主，从模式； f i f o 可使用外部提供的时钟或异步选通信号；为a s i c 和d s p 提供 方便的接口。 1 0 最多可有4 0 个通用口的! o 。 由于具有上述特点，c y 7 c 6 8 0 1 3 可以广泛的用于d s l 调制解调器、a t a 接口、 7 电子科技大学硕士学位论文 存储卡读卡器、相机、扫描仪、h o m ep n a 、无线局域网、m p 3 播放器等应用【1 】。 2 3a d 转换器芯片的选择 数据采集电路是整个高速数据采集系统的起始部分，这部分电路将对模拟信 号输入信号进行调理如放大滤波，再经a d 转换器采样量化编码，并在逻辑电路 的控制之下把转换后的数字信息存储在缓存之中，等待微控制器的读取。 对模拟信号的转换是由a d 转换器完成，随着超大规模集成电路的发展，为 满足各种不同的检测和控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的a d 转换电 路应运而生。有传统的并行型、逐次逼近型、积分型，也有近年来新发展起来的 一型和流水线型等，在选取a d 转换器的时候要根据不同的应用场合和性能 指标的要求选取不同类型的a d 转换器。低功率、高速度、高分辨率是新型的 a d c 的发展方向，同时a d c 的这一发展方向将适应现代数字电子技术的发展【4 j 。 本设计要求采样精度为1 6 位，选用了1 1 公司的一种高性能a d 转换芯 片：a d s 8 3 2 2 。a d s 8 3 2 2 的主要特点如下： 高速并行接口 1 6 位a d 转换精度，1 2 l s b 线性度； 1 缸s 转换时间，5 0 0 k s p s 采样速率； 内部2 5 v 参考基准； 外部时钟控制转换； 具有2 0 m h z 的模拟输入信号带宽； 本设计采用的是具有1 6 位并行接口的a d s 8 3 2 2 ，它特别适合高精度应用；例 如，光网络、医疗设备( c t 扫描仪、x 光扫描仪) 、声纳设备、高速数据采集和 光谱分析仪等i ”。 2 4 大规模f p g a 方案的选择 在数据采集系统中，模拟输入信号经数据采集转换成数字信号后需要缓存和 控制。如采用r a m ，s r a m ，f i f o 等。采用大规模的f p g a ，可以在内部构造一个 大容量的f i f o 作为缓存，还可以完成一些复杂的预处理算法，如滤波、f f r 等等。 f p g a 在数据采集系统中的主要任务是负责在e z - u s bf x 2 与a d c 芯片之间的缓 冲与控制。它一边与a d c 接口，另一边与u s b 接口，产生数据采集、通道切换、 8 第二章数据采集系统方案设计 a d 转换、f i f o 所需的全部控制信号。实现对传输数据的缓存、读写控制信号、 时钟、输出使能、端点的选择以及对a d c 的控制等功能。 2 4 1 选择x c 2 s 2 0 0 e ，p q 2 0 8 芯片 基于f p g a 容易开发、升级的优点，在本设计中，所有的数字电路部分，全 部是用f p g a 实现的。本设计采用了x i l i n x 公司的x c 2 s 2 0 0 e p q 2 0 8 芯片，所用 的e d a 软件是x i l i n x 的i s e7 1 i 设计工具，主程序用v e r i l o gh d l 语言编程。经 过在实践中检验，在高速数据采集卡中，用x c 2 s 2 0 0 e p q 2 0 8 来实现数字逻辑电 路功能，可以使高速数据采集卡工作稳定，各方面性能良好。并且具有易于升级 功能的特点，比如我们可以加入一些高速的预处理算法在f p g a 里面，从而扩大 采集卡的实用水平。 一般来说，完整的f p g a c p l d 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综 合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证和下板调试等主要步骤。常用的设计 输入方法有硬件描述语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ：h d l ) 和原理图设计输 入法。原理图设计输入法主要的缺点是：当所选用的芯片升级换代后，所有的原 理图都要做相应的改动，移植性差。目前进行大型设计时，最常用的设计方法是 h d l 设计输入法。其中影响最广泛的h d l 语言是v h d l 和v c r i l o gh d l 。它们共 同的特点是利于由顶向下设计，利于模块的划分和复用，可移植性好，通用性好， 设计一般不因芯片的工艺与结构发生变化而变化，便于向a s i c 的移植。此外还有 一些辅助设计输入方法，如波形输入，状态机输入，口核输入等方法 6 1 。 x i l i n x 作为当今世界上较大的f p g a c p l d 生产商之一，其开发的软件不断更 新换代，由早期的f o u n d a t i o n 系列逐步发展到目前的i s e 8 x 系列。i s e 是集成综 合环境的简称，它是x i l i n xf p g a c p l d 的综合性集成设计平台，该平台集成了从 设计输入、仿真、逻辑综合、布局布线与实现、时序分析、芯片下载与配置、功 率分析等几乎所有设计流程所需工具 6 1 。本设计中所使用的是x i l i n x 的i s e7 1 i 设 计工具。 2 4 2f p g a 开发板介绍 x i l i n x 的产品有许多的系列，本设计选用x i l i n x 公司s p a r t ni i 系列的 x c 2 s 2 0 0 e p q 2 0 8 6 ，该器件密度为5 2 9 2 ，逻辑单元共2 0 万系统门，块存储器 9 电子科技大学硕士学位论文 ( b l o c kr a m ) i 盍5 6 k b i t s , 努毒建存德嚣( d i s t r i b u t e dr a m ) 遮7 5 2 6 4 b i t s ，霹配置逻辑 块( c l b ) 达5 6 k b i t s , 最高工作频率可超道2 0 0mi - l z r l ，满足高速数镶采样速率 时序要求。 为了麴快瑷嚣遂度，我稻蠢接采震了d i g i l e n t 公司d 2 - s b 秀发叛。筵嚣发投 提供了围绕x i l i n xs p a r t a n2 ef p g a 的完全的电路开发平台。d 2 。s b 开发板的主要 特点【6 】： 采焉x i l i n xs p a r t a n2 e 系巍静x c 2 s 2 0 0 e p q 2 0 8 绍为核心芯麓，勰模秀糖 有2 0 万系统门并且最高工作频率为3 5 0 m h z ，满飓复杂设计的需要； 具有1 4 3 个用户输入，输出脚连接到6 个标准的4 0 引脚的扩展连接器： 暴育5 0 m h z 蠢源曩摄； 具有边界捆描测试( j t a g ) 可编程翻： d 2 一s b 电路扳糕图如图2 3 所示。 i 嚣吲嚣 i 时钟 睦匕 l 指示灯l 配置 1 1 5 0 m ) l 1 j 陡o m 1r 哥 x i l i n xs p a r t a n 2 ex c 2 s 2 0 0 e - p q 2 0 8 ， 扩袋滤褛嚣 。 l j jjjijk jjjj ( 9 錾 蝌搿 鼎 蝌 螂 婚蝴艟 姻 螂 鼎 躅 鼎 怒 崭 t -rr 裂 躅 蛸n 煽 基 o 瓤主 r、 o ， r 1 r1，1 骥 董鉴至 ， r 1r1r a 11r a 2b 2c 2 11 b 11 - 1 c l 图2 3d 2 一s b 电路板框图 1 0 第= 章数据采集系统方案设计 它疆供一令麓抉速实理f p g a 基奉毫鼹戆最，l 、系统。共有1 4 3 稷露惩瓣t o 口线。所有可用的i o 信号都遴到了具有4 0 其引脚的扩鼹连接器上。基本i o 口 还包括一个按镪和指示灯。时钟开发板上有个有源时钟插座，可以根据具体使 曩馈魄更换不月熬有源晶摄灞i 蠢晶振是5 0 m h z 。设有x c l 8 v 0 0 配置蕊冀捶痉， 当用户使用x c l 8 v 0 0 配置蕊片的时候，可以无限次的配豢系统，同霹谗必不担心捧 电以后又要重新黼置的麻烦。如果不用配殿芯片，也可以宜接将程序通过j t a g 日下载到f p g a 蕊片里面运行。此外，还可以自行设计扩展扳，扩展掇连到j t a g 霞熊懿a 1 、b 1 、c 1 扩震连接器之一露，壤浚霹鞋驱韵j t a g 链绘羟攒缝上豹瑟 有器件编程。可逐接的端i d 模块包括以太网、u s b 接口、e p p 并行口簿模块f 8 l 。 六个标号为a 1 抛，b 1 一b 2 。c 1 一c 2 鹩扩鼹连接器都其肖4 0 只引脚。六个连接 器上都是 麓羧绣，2 廊接v ii 。3 瓣接3 。3 v 。茹图2 4 掰示扩震连接鼗戆弓| 静撵 列顺序。 蚕2 一毒d 2 - s b 扩簇连接器熬弓l 嬲捺舞黻旁 本设计选择c 2 扩展连接器用于a d c 板，用它把a d c 板和f p g a 连接来交 换数据；选择a 1 和a 2 扩展懑接器用于u s b 板和f p g a 交换数据。按钮提供基 本笈俊凌戆；l e d 嚣被f p g a 圭戆售号轰竞掰以验证配嚣残功。芳逶避j t a g 薅i ：3 下载程序。 电子科技大学硕士学位论文 第三章硬件设计 数据采集系统的设计分成硬件设计和软件设计。 系统的硬件由模数转换接口电路、数据采集与传输控制电路和接口电路构成。 其中模数转换接口电路是整个系统的重要组成部分，它由低通滤波器、多路 选择开关和a d 转换器构成。 数据采集与传输控制电路是利用一块f p g a 的评估板构成。 接口电路则主要由一片u s b 2 0 接口芯片及其外围电路构成。 3 1 模数转换电路设计 这一部分是整个数据采集系统的模数转换部分，这个部分在系统中起到的功 能是将模拟信号转化成数字信号，如图3 1 所示。在系统中起到这个作用的核心 器件是a d 转换芯片a d s 8 3 2 2 。 八路 模拟 信号 抗混叠 l ，8 低通滤波器 模拟信号选择器 t h $ 4 0 5 2 7 4 h c 4 0 5 1 图3 1 模数转换接口电路工作原理图 模数转换接口电路由低通滤波器、模拟信号选择器、高速数模转换器及电平 转换器构成。八路模拟输入信号分别经过由运放t h s 4 0 5 2 构成的抗混叠低通滤波 器去除高于n y q u i s t 频率的高频成分，防止信号产生“混叠现象”。1 8 模拟信号 选择器根据来自f p g a 板的地址码，控制模拟信号选择器7 4 h c 4 0 5 1 选通8 路输入 中的其中一路到输出端