传统的数据采集系统的数据传输接口在低速时常采用标准串行口或并行口，高速时一般采用PCI总线接口。它们存在如下缺点：虽然标准串行口或并行口应用开发比较简单，但是数据传输速率" title="传输速率">传输速率较低；PCI总线尽管数据传输速率可以达到1Gbps，但是硬件设计和驱动开发难度较大，PCI卡的尺寸面积限制了I/O接口的扩展，不能在笔记本电脑或便携式PC上安装，而且驱动程序安装使用不方便；这三者都不支持即插即用的功能。目前流行的USB2.0传输协议的传输速率为480Mbps，是USB1.1传输速率的40倍，接近PCI传输速率的一半，而其接口简单、便携的优点又是PCI无法比拟的，具有广阔的发展前景。
　　本文设计并实现了一种基于USB2.0的雷达视频信号高速采集与实时显示系统。该系统采样频率达到10MHz，采样精度为12位，采集数据以定时查询的方式读入计算机事先开辟的大容量内存缓冲区，同时从缓冲区读出数据进行实时显示，采集结束后再将内存缓冲区中的数据存盘。为保证实时显示，计算机必须在雷达天线旋转一圈时间内完成一圈所有数据的显示。随着CPU处理速度与内存读写速度的大幅度提高，为充分利用微机资源、降低成本，采用数据抽取、坐标查表映射和DirectDraw等技术实现采集数据的实时显示。
1 系统组成与工作原理
1.1 系统组成
　　本系统以计算机作为采集主控设备，雷达视频回波信号的采集由一块自行研制的USB2.0采集卡" title="采集卡">采集卡完成。USB2.0采集卡根据来自雷达系统的时钟、同步触发信号和天线方位、仰角信号控制对雷达视频回波信号的采集，并将采集数据通过计算机USB2.0接口传输到计算机内存中，供计算机处理与显示。实际系统中，选用便携式笔记本电脑，同时将采集卡封装于屏蔽盒内，并通过USB电缆与笔记本电脑相连。因此，本系统特别适用于外场数据采集。系统组成框图如图1所示。

　　本系统提供在线配置功能，用户可通过USB接口对FPGA程序进行配置或升级，无需专用配置芯片，简化了电路板设计，提高了系统的灵活性。
1.2 工作原理
　　系统采集工作的最高频率为10MHz，基本满足雷达视频信号的采集，可根据实际需要对送给A/D" title="A/D">A/D的时钟进行分频设置相应的采集频率。A/D的结果扩展为16位，高12位是A/D转换结果，低4位为0，因此数据传输速率最高为20MBps。
　　系统工作原理如图2，其中虚线框部分由FPGA实现。FPGA主要完成数据采集控制与数据传输控制任务。

　　数据采集控制：FPGA根据上位机设置的采集参数（包括采集起始命令、距离波门参数、方位、仰角波门参数等）完成对雷达视频信号的波门控制，并对采集数据进行数据编码，在波门起始信号有效后的6个采样时钟周期内，将A/D转换结果丢弃，取而代之以同步头、方位、仰角等数据，过6个采样时钟后，再恢复成A/D的转换结果。数据随后送入FIFO A。
　　数据传输控制：由于USB没有真正意义上的中断，而是用查询方式完成，最快的查询间隔是1ms。以传输速率20MBps计算，在1ms内有20KB的数据，在FPGA内部放不下，因此只能用外部SRAM实现，用SRAM仿真FIFO的功能。SRAM控制部分将FIFO A中的数据传给大容量的外部SRAM，进行数据缓冲，同时，当单片机内部的FIFO“不满”时，将数据通过FIFO B写入单片机内部的FIFO。其中，FIFO A与FIFO B由FPGA内部BlockRAM资源配置生成，对FIFO A进行读操作时，要注意检测FIFO A的状态为“不空”。对FIFO B进行写操作时，要注意检测FIFO B的状态为“不满”。
2 具体实现
2.1 USB2.0采集卡的硬件设计
　　USB2.0采集卡主要完成对雷达视频回波信号的数据采集，模拟输入信号为一路非相参的视频信号，视频信号的采集控制与数据传输由FPGA完成。方位和仰角信号采用数字量输入。若伺服系统送来数字格式的伺服数据则可以直接输入，若伺服系统送来模拟的自整角机信号则需要外接一个伺服接口板完成方位和仰角信号的数字化。采集卡硬件结构框图如图3所示。

　　A/D选用美国ADI公司的AD9224，输入范围为0～4V，50Ω匹配，转换精度12位，最高转换频率40MHz，单5V电源。A/D的输入范围设计成只接收雷达视频信号。FPGA选用Xilinx Virtex系列，封装为PQ240，具体型号为XCV50-PQ240，FPGA内部的BlockRAM可配置为数据传输时所需的FIFO。SRAM选用Cypress公司的CY7C1041[B]V33，容量是256K×16bits，用于对数据进行大容量缓存，以满足USB的传输需要。USB控制器选用Cypress公司的EZ-USB FX2系列USB2.0芯片CY7C68013，封装为PQFP128。它支持USB2.0高速传送，最高速率可达480Mbps。
2.2 固件" title="固件">固件（Firmware）设计
　　Cypress公司提供了固件架构(frameworks)，大大简化了固件开发。该固件架构利用8051程序代码实现FX2芯片的起始设置、USB标准设备请求的处理以及USB闲置模式的电源管理服务。固件的编译在Keil μVision的集成开发环境中进行，在建立的项目中包含五个文件：ez_usb.lib、fw.c、usbjmptb.obj、dscr.a51和periph.c。ez_usb.lib是EZUSB函数库对象程序代码，fw.c是固件架构的程序代码，usbjmptb.obj中定义USB中断向量表。用户仅需提供其USB描述符表（dscr.a51）和实现外围功能的程序代码（periph.c），即可完成完全兼容的USB设备固件设计。
　　本系统的外围功能程序代码（periph.c）的设计如下：
　　在初始设置函数TD_Init( )中，对FX2的接口模式进行设置，IFCONFIG=OxCB（48MHz内部时钟IFCLK，异步SlaveFIFO），设置四个端点（EP2、EP4、EP6和EP8），端点设置情况见表1。在初始化中，需要对FX2 内单片机的I/O口及串口进行设置，为串行发送FPGA配置文件做准备。