维普资讯 http://www.cqvip.com 经验交流 ＴｏｃｈｎｉｃａＩ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ 自动化技术与应用》２００８年第２７卷第６期 基于Ｕ Ｓ Ｂ ２．０的数据采集卡 陈辉。李远 （四川大学电气信息学院，四川成都６１００６５） 摘要：本文利用高速Ａ／Ｄ器件、ＦＰＧＡ和ＵＳＢ控制器设计了一个高速数据采集卡。系统利用高速ＡＤ器件和ＦＰＧＡ来完成前端 的数据转换和存储。数据先被存储在外部ＦＩＦＯ中，之后由ＵｓＢ控制器将缓存中的数据通过ＧＰＩＦ方式快速读入并通过ＵｓＢ 接Ｉ＝１传递给上位机，最后由上位机完成后端的相关处理。 关键词：数据采集ＩＵＳＢ２．０ＩＧＰＩＦ 中图分类号：ＴＰ２７４．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—７２４１（２００８）０６—００９１—０４ Ａ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｃａｒｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＳＢ２．０ ＣＨＥＮ Ｈｕｉ，ＬＩＹｕａｎ （Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃａｒｄ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ，ＦＰＧＡ ａｎｄ ａｎ ＵＳＢ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ ａｎｄ ＦＰＧＡ ｉＳ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｖｅｒｔ ａｎｄ ｓｔｏｒｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ＦＩＦＯ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ＵＳＢ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｒｅａｄｓ ｔｈｅ ｓｔｏｒｅｄ ｄａｔａ ｂｙ ＧＰＩＦ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒｓ ｔｈｅｍ ｔｏ ＰＣ ｗｉｔｈ ＵＳＢ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ＰＣ ｆｉｎｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｂａｃｋ－ｅｎｄ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＵＳＢ２．０：ＧＰＩＦ １ 引言 高速和高精度的数据采集系统成为了现在数据采 集的主流，也是今后发展的一种趋势。要突破速度和精 充分考虑到被采样对象的性能特点，以更好地平衡速度 与精度的关系，这是考虑问题的关键点【¨。 度的瓶颈，主要是在Ａ／Ｄ转换、主控ＣＰＵ、以及ＣＰＵ 与主计算机的接口上提高工作性能。相对于处理速度 和精度受限的传统ＭＣＵ，当前主流的ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、 ＡＲＭ等控制核心由于其突出的性能已经成为了科技、 工程的主导。在与主机接口方面，ＩＳＡ、ＰＣＩ和ＶＸＩ都是 ２ 设计概述 在本设计当中，由于首先要满足采集的速度和实时 性要求，其次还要尽量考虑系统的可扩展性，所以在系 统中选用目前在高速数字技术领域得到广泛应用的现 场可编程门阵列ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）作为整个系统的控制中心。用ＵＳＢ作为与上 位主机的通信接口，并利用外部ＦＩＦＯ存储器来做存储 数据与读取数据之间的缓冲区ｌ２１。 前端的Ａ／Ｄ采集选用的是ＡＤ９０４２芯片，它是采 样频率可控的高速Ａ／Ｄ器件，最高的采样频率为 ４１ＭＨｚ。ＦＰＧＡ完成对Ａ／Ｄ的启停、采样频率等所有 的控制，并根据ＵＳＢ控制器的通信信息完成相应的采样 基于Ｐ Ｃ机的插槽的，这不仅受到主机插槽个数的 而且还会受到Ｐ Ｃ机箱内高频信号的干扰，从而影响精 度和稳定性。而通用串行总线（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ， 简称ＵＳＢ）的出现则很好的解决了以上的冲突，它使高传 输速度、易扩展性、方便的即插即用有机的结合在了一 起，使得计算机外围设备的连接更具单一化。这些特点 使得ＵＳＢ将成为接口总线主导。在Ａ／Ｄ采样方面，要 频率调整 Ａ／Ｄ转换的结果也由ＦＰＧＡ建立通道将数 收稿日期：２ ００ ７—１１—２ ２ 据存人外部ＦＩＦＯ中缓存。后端的处理就交由ＵＳＢ控制 维普资讯 http://www.cqvip.com 《自动化技术与应用》２ＯＯ８年第２ ７卷第６期 经验交流 ＴｅｃｈｎｉｃａＩ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ 器来完成。当ＦＩＦＯ半满标志有效的时候，ＵＳＢ控制器 便从ＦＩＦＯ中读人数据直到空标志有效。这样，数据便 ４８ＭＨｚ的频率来控制采样，这里我们不需要用ＰＬＬ来 倍频，只需要用基频来分频就可以满足要求了。整个采 被存入ＵＳＢ控制器自身的端点ＦＩＦＯ中，而后通过ＵＳＢ 事物将数据传送给主机。整个的数据流过程对外部 ＦＩＦＯ提出了很高的要求，它不但要有很高的操作频率而 且要能够无缝的与ＵＳＢ控制器实现ＧＰＩＦ连接。不仅如 此，由于会出现两个控制器同时对ＦＩＦＯ读写的情况，所 以外部ＦＩＦＯ要支持全异步读写操作。而我们选用的 ＣＹ７Ｃ４２５５（８Ｋ ｘｌ ８）完全满足上述几点要求，它的操作 频率可以达到１ ００ＭＨｚ。如图１整个采集系统的功能框 图 样控制和数据通道时序都用ＨＤＬ语言将ＦＰＧＡ配置好， 这样Ｆ Ｐ Ｇ Ａ就能够可靠的控制采样和将采样数据送入 外部ＦＩＦＯ中。由于篇幅有限，控制Ａ／Ｄ采样和数据流 传送的ＨＤＬ代码就不详细列出了。 ３．２存储部分 Ａ／Ｄ采样得到的数据流需要快速的写入到外部 ＦＩＦＯ中，这就要求ＦＰＧＡ实现写ＦＩＦＯ的各种逻辑并结 合采集部分的时序逻辑将数据写入ＦＩＦＯ中。这部分的 电路示意图如下图３． 鲫Ｑ鲁 如话 嚣 图１ 数据采集卡的工作框图 图３ ＦＰＧＡ与ＦＩＦＯ的存储接口 ＦＰＧＡ与ＦＩＦＯ之间的控制连接其实只有ＷＥＮ和 ３ Ａ／Ｄ采集的控制与存储 ３．１采样部分 ＡＤ９０４２的所有控制都是由ＦＰＧＡ来完成的，采样 ＷＣＬＫ两跟线。ｗＥＮ控制写使能，而ｗＣＬＫ控制写入 的频率，这个频率应该和采样频率一致，这样才能保证 采样数据无损失的被缓存入ＦＩＦＯ中。ＦＩＦＯ的满状态也 要和ＦＰＧＡ连接在一起，它表明ＦＩＦＯ已经存满数据，不 可以再写入。状态信息也要在配置ＰＦＧＡ的时候充分考 虑进去，这样才能保证整个系统的可靠工作。 获得的数据也由Ｆ Ｐ Ｇ Ａ来建立数据通道保存在外部 ＦＩＦＯ中。而ＦＰＧＡ对ＡＤ９０４２采样频率的控制的具体 参数是通过与ＵＳＢ控制器通信来获得的，而ＵＳＢ控制 器的参数则是从主机获得。在这样的控制流下，ＦＰＧＡ 与Ａ／Ｄ之间的接口电路示意图如下图２． ４ ＵＳＢ接口设计 ４．１控制器与外部ＦＩＦＯ的连接 在这一个系统当中，ＵＳＢ接口扮演了重要的角色， 它不仅要完成配置数据和控制命令的传输，更重要的它 要完成整个采集数据的发送。这个设计选用的ＵＳＢ２．０ 协议的控制芯片为ＣＹＰＲＥＳＳ公司的ＦＸ ２系列的 ＣＹ７Ｃ６８０１３。它主要包括ＵＳＢ２．０的收发器，串行接口 引擎（ＳＩＥ），增强５ｌ内核，８．５ＫＢ的ＲＡＭ存储器，４ＫＢ 的ＦＩＦＯ存储器以及可编程接口（ＧＰＩＦ）。ＦＸ２有一个 通用的可编程接口，由于它几乎支持所有通用的总线， 图２ ＡＩＤ采样接口与控制电路图 ＦＰＧＡ的输入时钟为４８ＭＨｚ，通过ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 语言对ＦＰＧＡ的配置，可以使得的ＦＰＧＡ输出各种基于 这使得ＦＸ２可与外部的ＡＳＩ Ｃ、ＤＳＰ等其他处理芯片很 方便的直接连接和通信【引。在本设计当中正是利用了该 接口与外围的ＦＩＦＯ存储器相连，形成一种独特的数据 维普资讯 http://www.cqvip.com 经验交流 ＂ｒｅｃｈｎｉｃａＩ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ 《自动化技术与应用》２００８年第２ ７卷第６期 传输方式一ＧＰＩＦ楠隔ＩＦＯ进行数据的交换。ＧＰＩＦ方式 下，增强５１内核就不参与数据传输，ＵＳＢ接口和外围电 路直接共享片内ＦＩＦＯ。这样就突破了５１内核参与高速 数据传输的瓶颈。ＧＰＩＦ方式下，外部ＦＩＦＯ与ＵＳＢ之间 的传输不是一次只传输１个字节，而是以突发数据流的 ＴＤ—Ｉｎｉｔ初始化函数是程序的重要函数，在该函数中 完成了ＣＰＵ相关和ＵＳＢ相关的初始化工作，如中断配 置，ＵＳＢ端点配置，ＧＰＩＦ配置等。ＴＤ—Ｐｏｌｌ是系统的主 循环函数，它完成主要的用户级功能，ＵＳＢ设备所需要 完成的动作都应该在这个主循环中实现，当然也可以在 形式实现，这样很好的解决了ＵＳＢ高速模式下的带宽问 题。ＦＸ２与外部ＦＩＦＯ的连接要保证了ＧＰＩＦ传送，其中 要特别注意的是ＧＰＩＦ下特有的３个控制信号和３个状 态信号的连接，他们要对应连接到外部ＦＩＦＯ的控制和 某些中断函数中实现。除了上述两个主要函数外，固件 中还有各种中断接口，可以在需要的地方填加代码完成 相应的动作。固件中的所有标准请求都将在端点０中断 函数中被处理，而其他大量数据的传送命令在端点２中 断函数中实现。固件代码里要完成相关的命令动作，并 与ＦＰＧＡ通信以实现具体的行为控制。而采集通道的数 据传送则在主循环ＴＤ—Ｐｏｌｌ函数中依靠配置和触发端点 ６来完成。数据的传送通道是端点２和端点６。端点２ 为ＯＵＴ端点，接受来自主机的数据或命令；端点６为ＩＮ 端点，通过ＧＰＩＦ方式从外部ＦＩＦＯ读人的数据被直接放 人该端点的ＦＩＦＯ中等待向主机传送。主机通过标准请 求启动采集任务后，将会不断的发送ＩＮ命令要求Ｕ ＳＢ 设备回传采集得到的数据。而控制器接受命令后开始 图４ 控制器与ＦＩ ＦＯ的接口示意图 启动ＧＰＩＦ传输，将外部ＦＩＦＯ的数据不断的发往主机。 固件中另一个重要的问题就是ＧＰＩＦ相关代码的填加。 由于ＧＰＩＦ功能是用户可选的，所以要想使用它，必须将 ４．２控制器固件代码 固件代码是在板子上电之后从外部ＥＥＰＲＯＭ加载 到控制器片内ＸＲＡＭ中的。这部分代码要通过调试手 段事先下载到外部ＥＥＰＲＯＭ中。ＵＳＢ控制器的固件程 序其实就是完成Ｕ ＳＢ各种事物及Ｕ ＳＢ设备功能的代 码，主要是对标准请求的支持和对用户自定义功能的支 配置和启动代码内嵌到固件中，完好地与固件其他模块 配合。ＧＰＩＦ传输的实现需要对ＦＸ２内部的相关寄存器 进行配置并将配置代码内嵌到固件的初始化部分。而 配置代码的生成可以借助ＣＹＰＲＥＳＳ发布的ＧＰＩＦ Ｄｅ－ ｓｉｇｎｅｒ工具以图形化的方式完成，最终以源代码的形式 填加到固件中。整个固件代码整合后可以通过Ｃ Ｙ— 持。ＦＸ２系列的控制器有一套完整的固件开发环境，可 以方便的在环境中开发各种基于Ｕ ＳＢ的应用。本次设 计的整体固件程序的流程如图５。 ＰＲＥＳＳ发布的调试工具把目标文件下载到芯片中进行 板级调试。由于代码在ＸＲＡＭ中运行，所以调试不需要 烧写任何ＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ而显得非常方便。 ５ 结束语 本设计充分利用了ＵＳＢ接口总线诸如：传输速率 高、使用方便、支持热插拔以及工作可靠性高等优势， 并有效的结合了目前在数字领域里得到广泛使用且具 有开发周期短、开发低复杂度、频率高、灵活性强以及 可扩展性好等特点的可编程逻辑器件ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ，使 得整个板卡简洁、高速、高效。系统充分发挥了高速Ａ／ Ｄ的可控采样率以及ＵＳＢ控制器的高速ＧＰＩＦ接口的性 图５ 固件代码流程图 能，突破了数据采集各个关口的瓶颈，从而建立了从采 样端到ＰＣ接口端的高速数据通路。本系统从某种程度 （下转第８０页） Ｔｅｃ｜ＩｎＩｑｔ甩ｓ ｏｆ Ａｕ１０Ｉ 删ｏｎ＆ＡｐｐＩＩｃｍｉｏＩ１ｓ Ｉ ９３ 维普资讯 http://www.cqvip.com
《自动化技术与应用》２００８年第２７卷第６期 本装置结构新颖实用，选配优质快速热电偶和接触 １７００ １８００ １９００ ｌ１８２１ １２４ｌ１ １３００１ １６４８℃ １７０１℃ １７５０℃ 灵活可靠的分段式测温，既保证了测量精度，又使操 作使用简便。用单片机软件实现Ｂ型热电偶的非线性 补偿。具有成本低、精度高等特点。 ２０００ １３５９１ １８００℃ 根据以上数据，就可以由数字查到对应的温度值。 查找步骤如下： 参考文献： 【１］何立民，ＭＣＳ－５１系列单片机应用系统配置与接口技术 【Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００３． （１）．先找出采样值位于哪个区间， （２）．根据偏移量取出起始温度和起始温度与终点温 度之差。然后由下列公式求得温度值： ：ｊ『’，ｆ＋ 二 Ｎｘｉ １一Ｎｘｉ、 ＋１一 【２］谢剑英，微型计算机控制技术【Ｍ］．北京：国防工业出版 社，１９９８． 其中：Ｔ’ｉ和Ｔ’ｉ＋１由表得知，Ｎ ｘｉ＋１－Ｎ ｉ为１００， Ｎ ｉ位于哪个区间也可得到，由此可由Ｎ 求得Ｔ 。算 法程序流程图如图３所示。 作者简介：高杰（１ ９ ７ ５一），男，硕士，工程师，研究领域：热能 ３ 结束语 （上接第８４页） 动力。 和调试工作量，同时也使通信可靠性得到提高。采用 ＲＳ一４８５通信后，ＰＬＣ和变频器可以分开布置（极大地 减少了变频器对控制系统的电磁干扰），而且眦和变 有【１］曹辉等．通信协议宏在ＲＳ４８５总线通信中的应用［Ｊ］．制 造业自动化，２００３（１ １）：５６—５８ Ｖ１０００系列通用变频器用户手删 默生网络能源 频器之间的现场布线也大为简化，变频器和外部其它设 备之间的联锁等功能可以借助ＰＬ Ｃ这个平台更方便、 灵活地实现。该系统投入运行后，稳定可靠，获得用户 一…【３］。ｓＹｓＭＡｃ ｃＪ系列可编程序控制器指令参考手册【ｚ］． 限 ２００６上海欧姆龙自动化有限公司，２００３ 致好评，具有较高的实用和推广价值。 参考文献： 沥青混合料搅拌设备控制系统研发。 作者简介：甘付宾（１ ９ ７ ５一），男，河南南阳人，助工，主要从事 （上接第９３页） 上反映了当前单板系统的构架特点和发展趋势一一简 【１］吴量．高速数据采集系统的设计［Ｊ］．电子测量技术．２００６， （２９）：８５—８６ 洁，灵活，快速。而ＵＳＢ总线与可编程逻辑器件的出 现正是迎合了这种需求。这些技术的出现不仅大大提 高了数字技术在各领域的应用，而且也极大地促进了数 字技术的进一步发展［圳。本次设计的数据采集板已经在 【２］王成儒，李英伟．ＵＳＢ２．ｏＮ理与工程开发［Ｍ】．国防工业 出版社．２００４，７ ｆ３］常丹华，王军波．基于ＤＳＰ和ＵＳＢ的高速数据采集与处 理系统设计【Ｊ］．电子技术应用，２００６，（１１）：１０２－１０４ 【４］刘有利．基于ＵＳＢ的高速数据采集系统设计【Ｄ］．西安电 子科技大学硕士学位论文．２００６ 实验室中参与常规实验，结合相应的Ｐ Ｃ端的显示程序 可以形成一个１ ＭＨｚ一２０ＭＨｚ的示波器，并有很好的 实际效果。 作者简介：陈辉（１ ９ ８ ２一），男，四川大学电气信息学院硕士研 究生，研究方向：检测技术与自动化装置。 参考文献：
