基于USB2.0的同步高速数据采集器的设计
2008-08-11
作者：梁鸿翔 王润田
摘 要： 介绍了一种基于USB2.0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USB2.0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GPIF及其驱动软件的设计。
关键词： USB2.0 EZ-USB FX2 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（Universal Serial Bus，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" title="外设">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年发布的USB1.1版本和2000年发布的USB2.0版本。其中1.1版本支持两种传输速率：1.5Mbps和12Mbps，主要应用在低速传输要求的场合；而2.0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USB1.1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USB2.0标准自然成为首选。以Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013芯片作为核心控制器，设计开发了一套符合USB2.0标准的高速同步数据采集器" title="数据采集器">数据采集器。
1 CY7C68013芯片
Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013,是目前市面上比较少的符合USB2.0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（General Programmable Interface）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" title="互联">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（SIE），负责完成大部分USB2.0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。
2 同步高速数据采集芯片AD7862
2.1 AD7862的结构
AD7862是AD公司推出的高速、低功耗、双极性12位的A/D转换芯片，其中包含了两个独立的快速ADC模块（允许同时采样和转换两路信号）、4路模拟输入信号（VA1、VA2、VB1、VB2）、2.5V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50μW，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VA1、VA2 或 VB1、VB2，当一个CONVST信号到来时，同时转换地址A0选中的两路信号。
2.2 AD7862的控制时序
AD7862的控制时序如图3所示。在USB2.0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CONVST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，变成并保持为高电平状态，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50μW。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USB2.0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" title="固件">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I/O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
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" title="应用程序">应用程序的设计。
4.1 固件（firmware）设计
Cypress公司为CY7C68013提供了一个开发框架，可以在 KEIL C51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)FW.C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。
(2)用户必须将PERIPH.C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0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。
·GPIFINIT.C ，其中只有一个GpifInit函数，它是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GPIF Designer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。
·DSCR.A51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EZUSB.LIB和USBJMPTB.OBJ，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-USB control panel，具体的操作读者可以参考其自带帮助。
4.2 驱动程序的设计
驱动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WinDriver v6.03，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 (Developing or Debugging in Kernel)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）：
（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VB6.0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。
4.3 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VB6.0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更加迫切，并已显示出了良好的市场前景。本文所述的基于USB2.0的高速同步数据采集器就其功能来说已不仅限于数据采集，应该说是一个功能强大的混合信号处理器。经过在水下机器人声纳和浙江深水网箱监测设备中的使用表明数据吞吐量大、性能稳定，达到了设计要求。只要搭配合适的传感器以及相应的信号调理电路，利用本文所述的高性能采集器，就可以对各种模拟量进行采集和分析处理。如果再能够配以合适的固件设计，则完全可以构成一个多功能控制系统。
参考文献
1 Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB FX2 Manual Technical Reference Version 2.1. Copyright (c) 2000, 2001
2 Anchor Chips, Inc. Anchor EZ-USB Frameworks. Copyright (c) 1998
3 Jungo Ltd. WinDriver v6.03 User's Guide. 2003