高速数据采集器设计管理论文

1、高速数据采集器设计管理论文摘要：介绍了一种基于USB20接口的同步高速数据采集的设计方案及其软硬件的设计方法，对Cypress的USB20控制芯片CY7C68013和同步数据采集芯片AD7862的特性作了简要说明，同时重点介绍CPIP及其驱动软件的设计。 关键词：USB20EZUSBFX2同步数据采集 随着计算机技术的迅速发展，对外部总线速度的要求越来越高。通用串行总线(UniversalSerialBus，即USB总线)凭借其即插即用、热插拔以及较高的传输速率等优点，成为PC机与外设连接的普遍标准。在许多便携式电脑上，已经找不到RS-232接口。迄今为止，常用的USB总线标准有1998年发布

2、的USBl1版本和2000年发布的USB20版本。其中11版本支持两种传输速率：15Mbps和12Mbps，主要应用在低速传输要求的场合；而20版本面向高数据率传输的场合，支持480Mbps的传输速度，并向下完全兼容USBl1协议。在实际应用中，通常会遇到一些突发信号，需要对其进行高速采集，对数据进行高速传输，所以USB20标准自然成为首选。以Cypress公司的EZ-USBFX2系列中的CY7C68013芯片作为核心控制器，设计开发了一套符合USB20标准的高速同步数据采集器。 1CY7C68013芯片 Cypress公司的EZ-USBFX2系列中的CY7C68013，是目前市面上比较少的符

3、合USB20标准的USB控制器之一。与其它同类芯片相比，它提供了4KB的FIFO和一个功能十分强大的GPIF(GeneralProgrammableInterface)模块。后者相当于一个可编程状态机，正是由于它的存在，使得CY7C68013比其它同类芯片具有强大的互联能力。图1是CY7C68013芯片的结构示意图，其主要特点如下： CY7C68013内部集成了一个增强型的51内核，其指令集与标准的8051兼容，并且在多方面有所改进。例如：最高工作频率可达48MHz，一个指令周期为4个时钟周期，两个UART接口，三个定时计数器，一个I2C接口引擎等。 CY7C68013提供了一个串行接口引擎(

4、SIE)，负责完成大部分USB20协议的处理工作，从而大大减轻了USB协议处理的工作量，并且提供了4KB的FIFO保证数据高速传输的需要。 为了满足与各种不同类型外设的互联需要，芯片中集成了一个GPIF模块，让用户可以按照外设的时序进行波形编辑，而不需要复杂的程序描述，就可以保证GPIF与内部FIFO的协调工作，实现芯片与高速外围设备之间的逻辑连接和高速数据传输。这对于开发者来说是相当友好的。笔者就是利用这一特性，实现数据的高速同步采集及传输。 图1 2同步高速数据采集芯片AD7862 21AD7862的结构 AD7862是AD公司推出的高速、低功耗、双极性12位的AD转换芯片，其中包含了两个

5、独立的快速ADC模块(允许同时采样和转换两路信号)、4路模拟输入信号(VAl、VA2、VBl、VB2)、25V的内部电压基准以及一个12位的高速并行接口。芯片正常运行时功耗只有60mW，当使用节电方式时，只有50W，对于自带电源的USB设备这种低功耗无疑是一种优点。该芯片的内部结构如图2所示。每个ADC都有一个两通道的多路选择器，芯片通过地址信号A0分别选通VAl、VA2或VBl、VB2，当一个CONVST信号到来时，同时转换地址A0选中的两路信号。 22AD7862的控制时序 AD7862的控制时序如图3所示。在USB20同步高速数据采集器中，利用GPIF实现图3所示的时序控制。其中CONV

6、ST是转换开始启动信号，下降沿触发两路ADC开始装换；BUSY信号在CONVST信号触发后；变成并保持为高电子状态，直到两路ADC转换完毕，才又回到低电平；地址A0用于对两路模拟信号的选择，CS信号和RD信号分别是芯片使能信号以及读允许信号。两者第一次同为低电平时，读出第一组ADC转换的数据；在第二次为高电平时，读出第二组ADC转换的数据。使用AD7862值得注意的一点是该芯片提供了电源管理功能，当芯片将第二组数据读出后，CONVST信号继续保持低电平，芯片进入休眠模式。这时芯片的功耗只有50W。这一点对于现在的便携式设备十分重要。 3同步高速数据采集器的硬件设计 传统的高速数据采集卡一般都采

7、用PCI总线设计，但是笔记本电脑以及大部分便携式设备是没有PCI插槽的。利用USB20技术，不仅保证了较高的数据传输率(传输率最大可以达到480Mbps)，同时还具有便携和无需外加电源等优点。图4是系统的结构示意图。它的工作原理是：在GPIF模块的控制下，由AD7862对目标进行等间隔采样，然后将采样结果通过GPIF传送到CY7C68013的内部FIFO中缓存；当采集一定量的数据后，CY7C68013自动将数据打包(不需要8051的介入)，通过USB总线传输到PC机中进行数据处理。由于有GPIF的硬件支持，CY7C68013中的8051内核只是在很少的时间内，对控制进行了辅助处理，大部分工作由

8、GPIF硬件完成。这样8051还可以与其他外设进行互联等工作。在高速数据采集器上附加了两路RS-232接口，用于将GPS数据和高精度智能测深仪的数据中转到主控计算机上，大大方便了新近推出的笔记本电脑与传统外设之间的联系。因为新近推出的笔记本电脑大多不具有RS-232接口，而那些野外观测仪器大多只能通过RS-232接口进行数据交换。 对于CY7C68013来说，其配置和固件都是软的，存储在外部的E2PROM中，上电时从I2C总线自动装载到片内RAM中，修改起来十分方便，便于固件升级。由于CY7C68013提供了丰富的IO口，所以进行功能扩展也是很方便的，例如增加一个GPIB数据口等。 4软件设计

9、 USB设备的软件设计包括三方面：固件设计、硬件驱动程序设计以及高级应用程序的设计。 41固件(firmware)设计 Cypress公司为CY7C68013提供了一个开发框架，可以在KEILC51环境下开发。由于开发框架的引入，从而大大缩短了用户的研发周期。该框架由以下几部分组成： (1)FWC中包含了程序框架的MAIN函数，管理整个51内核的运行，因为Cypress对这个部分的功能进行了精心划分，一般是不用改动的。 图3 (2)用户必须将PERIPHC实例化，它负责系统周边器件的互联。固件的设计主要针对这个文件，用户必须根据自己系统的需要，实例化这个文件，以实现自己的功能。在这个文件中有几

10、个函数是比较关键的，在这里做一下特别说明： TD_Init函数，负责对USB端点进行初始化设置。本设计中将端点6设置为1024个字节，缓存深度为4级，模式设为自动输入方式。 TD_Poll函数，负责系统中循环任务的处理。它主要是对各个端点的状态进行查询，处理各种OUT或IN端点的交互。值得说明的一点是，这种处理只是辅助性质的，大部分工作由硬件自动完成。 DR_VendorCmnd函数，主要负责用户自定义命令的译码工作，用户请求通过端点O传输给内核。由于CY7C68013上SIE硬件的支持，用户只需查询固定地址单元即可获得当前的命令代码。 GPIFINITC，其中只有一个Gpiflnit函数；它

11、是GPIF模块的初始化函数，一般在TD_Init函数中调用。这个函数是由Cypress公司提供的一个GPIFDesigner开发工具根据用户设计的波形生成的，用户不需要自己设计波形查询表，减轻了设计者的工作强度。 DSCRA51是描述表文件，负责USB设备的描述工作，CY7C68013在上电后自动利用其中的VID和PID取代默认的VID和PID。 两个包含文件EZUSBLIB和USBJMPTBOBJ，前者是EZUSB函数库的二进制文件，后者是USB的中断向量表。 固件调试，使用Cypress提供的EZ-USBcontrolpanel，具体的操作读者可以参考其自带帮助。 42驱动程序的设计 驱动

12、程序负责对底层硬件的访问。在本设计的驱动程序开发中，使用的开发工具是Jungo公司的WinDriverv603，它支持多种操作系统。利用WinDriver开发的优点是用户不需要了解操作系统内部的具体工作机理，同时也不需要了解各个系统DDK(DevelopingorDebugginginKernel)的开发工具，用户只需使用WinDriver提供的开发平台，即可完成驱动程序的设计工作，剩下的底层细节由WinDriver内核统一处理，从而降低了对开发者编程能力的要求，同时也大大缩短了开发周期。下面就使用WinDriver开发驱动程序的步骤做一个简要说明(以在Windows操作系统下的开发为例)：

13、(1)启动WinDriver的DriverWizard工具； (2)利用DriverWizard检测硬件是否正常； (3)在DriverWizard中选择所使用的开发环境，这里使用VB60开发环境，并生成驱动程序代码； (4)对生成的代码进行修改，使其符合系统的需要； (5)在WinDriver环境的用户模式下，调试驱动程序； (6)如果程序需要内核访问，以提高驱动程序的效率，进入内核开发。 43高级应用程序的设计 高级应用程序建立在驱动程序之上，在本设计中，选用了VB60的开发环境来开发应用程序。它以驱动程序为桥梁，对USB设备进行命令控制，处理USB设备传回的数据，例如波形显示、频谱分析等。开发者可以依据自己的实际需求，制作一个USB控制器的控件或数据包，在编写应用程序时连接或嵌入到应用程序中。 随着笔记本电脑的迅速普及，高性能便携式采集器将会倍受瞩目，尤其是在RS-232接口已被大多数笔记本电脑摈弃的今天，对USB数据采集器的需求就变得