高速USB数据采集系统的设计

刘工在呢 · 发表于 2021-5-24 10:55

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在图像处理、瞬态信号测量等一些高速、高精度的应用中，需要进行高速数据采集。USB 2.0接口以其高速率等优点渐有取代传统ISA及PCI数据总线的趋势，热插拔特性也使其成为各种PC外设的首选接口。EZ-USB FX2是Cypress公司推出的集成USB 2.0的微处理器，它集成了USB 2.0收发器、SIE(串行接口引擎)、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。本文将介绍基于EZ-USB FX2系列CY7C68013芯片的高速数据采集系统的设计，该系统具有限幅保护功能，固件和驱动程序的编写简便，能够完成对数据的高速采集和传送。

数据采集系统方案设计

数据采集系统的框图如图1所示，硬件电路如图2所示。其中，AD1674是l2位模数转换芯片，采用逐次比较方式工作。cpld主要用于控制ADC以及FIFO的时序、控制ADC的启动与停止和查询ADC的状态等。FIFO主要起着高速数据缓冲的作用。

CY7C68013和AD1674之间通过CPLD连接，实现相关控制线和数据线的译码。在CY7C68013的控制下，首先对AD1674进行间隔采样，然后把结果传送到FIFO中，当采集到一定量的数据后，CY7C68013将数据打包通过USB总线传到PC，由高级应用程序进行数据处理。扩展的RS232接口可以和外部设备进行通信。上电时，CY7C68013从外部的E2PROM中通过I2C总线自动装载到内部的RAM中，便于固件的修改和升级。

数据采集前端的调理电路如图3所示，本设计采用了限幅、降压、滤波和增加输入阻抗的措施来保护后端的转换芯片。

驱动程序和固件设计

USB设备驱动程序基于WDM。WDM型驱动程序是内核程序，与标准的Win32用户态程序不同，采用了分层处理的方法。通过它用户无须直接与硬件打交道，只需通过下层驱动程序提供的接口访问硬件。因此，USB设备驱动程序不必具体对硬件编程，所有的USB命令、读写操作通过总线驱动程序转给USB设备。但是，USB设备驱动程序必须定义与外部设备的通信接口和通信的数据格式，也必须定义与应用程序的接口。Cypress公司提供了完整的CY7C68013驱动程序源码、控制面板程序及固件的框架，这大大加快了用户开发的进度。用户只需稍加修改或无须任何修改即可使用现有驱动程序，软件开发者大量的时间主要集中在应用程序和固件的开发。根据用户自己的需求，一般只需修改DeviceIoControl例程。本设计主要增加了控制数据传输函数、启动和停止ADC、复位FIFO等。Cypress为CY7C68013提供了开发框架，其中两个程序如下。
3 A4 ~' C$ J7 h3 x/ k* L6 Q6 u z# Y" O6 i0 M% d# _5 I( r1 R
FW.C：FW.C中包含了程序框架的MAIN函数，管理整个51内核的运行，因为这部分的功能已经进行了精心划分，一般是不用改动的。

图3 调理电路

PERIPH.C：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，以实现所需的功能。在固件程序中，最重要的是TD_init（）和TD_poll（）这两个函数。以TD_poll（）函数为例，在TD_poll（）中主要完成外部FIFO状态的检测和数据的传输，程序主体部分如下。固件调试时，可以使用Cypress提供的EZ-USB control panel。
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. Q0 N: m6 d( j  D' P& B% d+ b{( M, t9 t% H& W5 t3 N3 v
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If(EXTFIFONOTEMPTY ) //判断外部FIFO是否非空! h, t5 G  j/ m! @, u4 j
{, [( |' L) ~7 u6 p8 I" }
If(!(EP24FIFOFLGS & 0x01)) //判断FIFO是否不满
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" B# _7 D2 F& OIF(enum_high_speed)! M/ U: K% X. T+ ]
{
4 I" j5 A; z& U" j+ d- _* X6 ~7 _" jSYNCDELAY;
% X- |7 u0 ]8 @/ X8 AGPIFTCB1=0x02; //设置处理计数
2 K; n: j& U* e9 o! L- m/ `! OSYNCDELAY;
+ o: d5 J: s  s1 F  ~! _' q& xGPIFTCB0=0x00;
) R4 H2 h0 ~* P9 ^SYNCDELAY;
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SYNCDELAY;
# F( n3 x" ?3 I* Q$ ?GPIFTCB1=0x00;  r: D" n$ C$ J
SYNCDELAY;
7 ^# s7 c9 c; A# @) Z0 q- F1 wGPIFTCB0=0x20;
$ b$ \8 p0 o$ m* N) G1 o# BSYNCDELAY;, d+ s, S* [. z/ h3 L9 K
}) T: |) ~$ j$ c+ e* ^: Q9 Z7 d
Setup_FLOWSTATE_Read();
7 s& I# d3 e  j) p7 cSYNCDELAY;
( o+ p5 r' r; X- yGPIFTRIG=GPIFTRIGRD|GPIF_EP2;
3 J4 k: k& Q. USYNCDELAY;& ~- L# m+ d. E% D0 i
While(!(GPIFTRIG & 0x80))) U: S8 C0 y9 C! _' r( f
{;}! M' e# ^. r* {4 W! U9 |( [# I2 f
SYNCDELAY;
/ W! s: Z% _4 W( [2 Z0 R0 D! j}
# R4 m, [' k6 [- b9 k5 y3 G* q}
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