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基于USB2.0的同步高速數據采集器的設計
摘要：介紹了一種基于USB2．0接口的同步高速數據采集的設計方案及其軟硬件的設計方法，對Cypress的USB2．0控制芯片CY7C68013和同步數據采集芯片AD7862的特性作了簡要說明，同時重點介紹CPIP及其驅動軟件的設計。隨著計算機技術的迅速發展，對外部總線速度的要求越來越高。通用串行總線(Universal Serial Bus，即USB總線)憑借其即插即用、熱插拔以及較高的傳輸速率等優點，成為PC機與外設連接的普遍標準。在許多便攜式電腦上，已經找不到RS-232接口。迄今為止，常用的USB總線標準有1998年發布的USBl．1版本和2000年發布的USB2．0版本。其中1．1版本支持兩種傳輸速率：1．5Mbps和12Mbps，主要應用在低速傳輸要求的場合；而2．0版本面向高數據率傳輸的場合，支持480Mbps的傳輸速度，并向下完全兼容USBl．1協議。在實際應用中，通常會遇到一些突發信號，需要對其進行高速采集，對數據進行高速傳輸，所以USB2．0標準自然成為首選。以Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013芯片作為核心控制器，設計開發了一套符合USB2．0標準的高速同步數據采集器。
1 CY7C68013芯片
Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013，是目前市面上比較少的符合USB2．0標準的USB控制器之一。與其它同類芯片相比，它提供了4KB的FIFO和一個功能十分強大的GPIF(General Programmable Interface)模塊。后者相當于一個可編程狀態機，正是由于它的存在，使得CY7C68013比其它同類芯片具有強大的互聯能力。圖1是CY7C68013芯片的結構示意圖，其主要特點如下：
·CY7C68013內部集成了一個增強型的51內核，其指令集與標準的8051兼容，并且在多方面有所改進。例如：最高工作頻率可達48MHz，一個指令周期為4個時鐘周期，兩個UART接口，三個定時計數器，一個I2C接口引擎等。
·CY7C68013提供了一個串行接口引擎(SIE)，負責完成大部分USB2．0協議的處理工作，從而大大減輕了USB協議處理的工作量，并且提供了4KB的FIFO保證數據高速傳輸的需要。
·為了滿足與各種不同類型外設的互聯需要，芯片中集成了一個GPIF模塊，讓用戶可以按照外設的時序進行波形編輯，而不需要復雜的程序描述，就可以保證GPIF與內部．FIFO的協調工作，實現芯片與高速外圍設備之間的邏輯連接和高速數據傳輸。這對于開發者來說是相當友好的。筆者就是利用這一特性，實現數據的高速同步采集及傳輸。
圖1
2 同步高速數據采集芯片AD7862
2．1 AD7862的結構
AD7862是AD公司推出的高速、低功耗、雙極性12位的A／D轉換芯片，其中包含了兩個獨立的快速ADC模塊(允許同時采樣和轉換兩路信號)、4路模擬輸入信號(VAl、VA2、VBl、VB2)、2．5V的內部電壓基準以及一個12位的高速并行接口。芯片正常運行時功耗只有60mW，當使用節電方式時，只有50μW，對于自帶電源的USB設備這種低功耗無疑是一種優點。該芯片的內部結構如圖2所示。每個ADC都有一個兩通道的多路選擇器，芯片通過地址信號A0分別選通VAl、VA2或VBl、VB2，當一個CONVST信號到來時，同時轉換地址A0選中的兩路信號。
2．2 AD7862的控制時序
AD7862的控制時序如圖3所示。在USB2．0同步高速數據采集器中，利用GPIF實現圖3所示的時序控制。其中CONVST是轉換開始啟動信號，下降沿觸發兩路ADC開始裝換；BUSY信號在CONVST信號觸發后；變成并保持為高電子狀態，直到兩路ADC轉換完畢，才又回到低電平；地址A0用于對兩路模擬信號的選擇，CS信號和RD信號分別是芯片使能信號以及讀允許信號。兩者第一次同為低電平時，讀出第一組ADC轉換的數據；在第二次為高電平時，讀出第二組ADC轉換的數據。使用AD7862值得注意的一點是該芯片提供了電源管理功能，當芯片將第二組數據讀出后，CONVST信號繼續保持低電平，芯片進入休眠模式。這時芯片的功耗只有50μW。這一點對于現在的便攜式設備十分重要。
3 同步高速數據采集器的硬件設計
傳統的高速數據采集卡一般都采用PCI總線設計，但是筆記本電腦以及大部分便攜式設備是沒有PCI插槽的。利用USB2．0技術，不僅保證了較高的數據傳輸率(傳輸率最大可以達到480Mbps)，同時還具有便攜和無需外加電源等優點。圖4是系統的結構示意圖。它的工作原理是：在GPIF模塊的控制下，由AD7862對目標進行等間隔采樣，然后將采樣結果通過GPIF傳送到CY7C68013的內部FIFO中緩存；當采集一定量的數據后，CY7C68013自動將數據打包(不需要8051的介入)，通過USB總線傳輸到PC機中進行數據處理。由于有GPIF的硬件支持，CY7C68013中的8051內核只是在很少的時間內，對控制進行了輔助處理，大部分工作由GPIF硬件完成。這樣8051還可以與其他外設進行互聯等工作。在高速數據采集器上附加了兩路RS-232接口，用于將GPS數據和高精度智能測深儀的數據中轉到主控計算機上，大大方便了新近推出的筆記本電腦與傳統外設之間的聯系。因為新近推出的筆記本電腦大多不具有RS-232接口，而那些野外觀測儀器大多只能通過RS-232接口進行數據交換。
對于CY7C68013來說，其配置和固件都是軟的，存儲在外部的E2PROM中，上電時從I2C總線自動裝載到片內RAM中，修改起來十分方便，便于固件升級。由于CY7C68013提供了豐富的I／O口，所以進行功能擴展也是很方便的，例如增加一個GPIB數據口等。
4 軟件設計
USB設備的軟件設計包括三方面：固件設計、硬件驅動程序設計以及高級應用程序的設計。
4．1 固件(firmware)設計
Cypress公司為CY7C68013提供了一個開發框架，可以在KEIL C51環境下開發。由于開發框架的引入，從而大大縮短了用戶的研
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