通用串行總線（USB）支持熱插撥，真正的即插即用。USB1.1在全速傳輸時可以達到12Mbps的傳輸速率；低速傳輸時傳輸速率可達1.5Mbps。USB電纜線只有4根，兩根是電源線，傳送5V電源，可用來向設備供電；另外兩根是信號線，用來傳輸串行數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的RS－232串口比較，USB具有傳輸速度更快、集成化程度更高、編程化更好以及能夠支持多個設備等優(yōu)點。因此在我們的設計中用它來和主機接口實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常采用單片機或DSP(數(shù)字信號處理器)作為CPU,控制ADC（模/數(shù)轉換器）、存儲器和其他外圍電路的工作。但是單片機的時鐘頻率較低，難以適應高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，而DSP雖然可以實現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其速度提高的同時也提高了系統(tǒng)的成本。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）有單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢：時鐘頻率高，內部時延小；全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。因此，在本系統(tǒng)中我們用FPGA來控制A/D和USB芯片的運行。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)" height="203" src="http://files.chinaaet.com/images/20111217/848e3c07-0a10-4b4a-9d2a-c8f712f65591.jpg" title="基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)" />

圖中FPGA采用ALTERA公司生產的APEX  1k系列芯片，型號為EP1K30，通過在EPGA中編寫硬件邏輯控制A/D轉換器的運行；實現(xiàn)A/D轉換器和USB 控制芯片間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線接口。除此之外，為了保證EPGA和USB控制芯片間數(shù)據(jù)交互過程的實現(xiàn)，必須在FPGA中提供一個用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

2 A/D轉換環(huán)節(jié)

在該系統(tǒng)中我們采用TI公司的ADS7800。它是12位并行模數(shù)轉換器^[2]，接口簡單，很容易控制，最大采樣率可達333kHz，輸入的電壓范圍為－10V～＋10V或－5V～＋5V。ADS7800芯片的數(shù)字接口比較簡單，可以很方便地與其它數(shù)字系統(tǒng)相連接。對此芯片地控制有完全控制模式（full  control mode ）和孤立控制磨蝕（stand-alone  control mode ）兩種控制方法。

在本系統(tǒng)中，對ADS7800芯片的控制是通過在FPGA芯片中編寫控制邏輯來實現(xiàn)的。我們采用了孤立控制模式，在此控制模式下，輸出數(shù)字信號是12位并行的。

利用FPGA芯片的可編程性可以使用芯片中的12個IO腳作為數(shù)據(jù)總線，另使用一些IO腳作為ADS7800的控制信號輸入，控制模/數(shù)變換器以32kHz的速率對模擬輸入信號進行采樣，采樣的數(shù)據(jù)存入FPGA的RAM中。本系統(tǒng)中所使用的FPGA芯片型號為EP1K30QC208-3，它具有著良好的特性，芯片內部共有3萬個邏輯門，容量相當大；6個嵌入式陣列塊，可是現(xiàn)最大為3k字節(jié)的RAM存儲器。

3 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

USB接口芯片介紹

在設計中，我們選取Cyprees公司的EZ-USB系列芯片來實現(xiàn)USB接口設備方的控制。它是一款帶有多個外設、高度集成的芯片，其功能框圖如圖2所示。一個集成的USB收發(fā)器（transceiver）連接USB總線的D＋和D－。串行接口引擎（SIE）對總線上的數(shù)據(jù)進行編/解碼、錯誤檢測、位填充以及USB規(guī)范規(guī)定的其它信號級操作的實現(xiàn)，并且最終把數(shù)據(jù)收或發(fā)到USB接口部分。

圖2  EZ-USB系統(tǒng)框圖

內部的微處理器是8051單片機的增強型，提高了執(zhí)行速度并增加了一些新的特性。它使用內部RAM作為程序和數(shù)據(jù)存儲器；帶有16位地址線和8位數(shù)據(jù)線用來訪問外部存儲器，特有的快速傳輸模式可以在外部邏輯和內部USB FIFO間快速地傳遞數(shù)據(jù)。

3.2  USB總線數(shù)據(jù)通信解決方案

在實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信解決方案時，為完成數(shù)據(jù)流地正常傳輸，所建立的硬件平臺必須能夠提供兩個接口。首先必須要有一個實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線接口；除此之外，為了保證數(shù)據(jù)交互過程的正常實現(xiàn)，必須提供一個用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

AN2135SC芯片提供了EZ-USB系列芯片的所有接口和功能。在本系統(tǒng)中，我們將利用這款芯片和FPGA芯片配合工作，建立一個基于USB總線接口的數(shù)據(jù)通信解決方案，以實現(xiàn)將采樣信號輸出到上位機中的功能。

在此解決方案中，我們選擇AN2135SC芯片工作在快速數(shù)據(jù)傳輸模式下的8位并行數(shù)據(jù)總線D[7…0]作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€接口；選擇AN2135SC芯片中的通用I2C總線主控制器接口作為數(shù)據(jù)通信過程中進行控制和狀態(tài)信息傳輸?shù)腉PIO接口。這樣，芯片中的一般GPIO引腳就可以用來實現(xiàn)其它功能，方便了系統(tǒng)的進一步擴充。圖3所示為AN2135SC芯片與FPGA芯片的接口示意圖。

 為了使AN2135SC芯片中快速數(shù)據(jù)傳輸模式下的數(shù)據(jù)總線D[7…0]和通用I2C主控制器分別完成流數(shù)據(jù)傳輸和控制狀態(tài)信息傳輸?shù)墓δ埽枰谛酒?051核中編寫程序，對AN2135SC芯片內部相關的專用寄存器進行配置^[3]。

3.3  FPGA的獨特配置方案

FPGA芯片是一種基于SRAM工藝制作的可編程器件，其編程數(shù)據(jù)存儲于器件的SRAM存儲器內。這是一種易失性的存儲器，在系統(tǒng)掉電時，F(xiàn)PGA芯片中的邏輯將會丟失，芯片功能隨即消失，上電后需要重新對其進行配置。利用此功能可以靈活地改變FPGA芯片中的邏輯結構。這是一種動態(tài)配置過程，這種方式稱為ICR方式（in circuit reconfigurable）。

本系統(tǒng)中對FPGA的配置采用PS（passive serial，即被動串行）方式。通常采用的是以下兩種配置方法：配置數(shù)據(jù)來自于ALTERA公司生產的串行配制器件或系統(tǒng)控制器，如  等，系統(tǒng)上電時可對ACEX1K系列芯片進行配置；配置邏輯也可以通過ALTERA公司生產的Master  Blaster、Byte Blaster  MV或Bitblaster下載電纜進行手工下載。但是前者會增加系統(tǒng)的成本，而后者又很不方便。

本系統(tǒng)中采用一種比較獨特的PS方式對FPGA進行配置：將FPGA的5個配置管腳DCLK、CONF  DONE、nCONFIG、nSTATUS、DATAO分別與USB控制器的5個I/O管腳USB   、  、  、  經過三態(tài)緩沖后相連；然后在軟件（驅動程序）編程中通過設置AN2135SC芯片內與這5個I/O管腳相關聯(lián)的I/O口寄存器PORTACFG、OEA、PORTCCFG、OEC來實現(xiàn)FPGA上電時通過PS方式的自動配置的（配置文件采用二進制格式，如rbf格式等），如圖4所示。

           圖4 FPGA自動配置示意圖

AN2135SC的I/O端口的定義以及配置命令見參考文獻，F(xiàn)PGA的PS配置方式及相應的時序見參考文獻。以下是實現(xiàn)FPGA上電后自動配置功能的部分代碼，實踐證明，這種自動配置方式具有節(jié)約成本、省時、高效的特點。

   Void TD             ∥Called  once  at startup

……

PORTACFG=O  ；∥ Congigure  PA4 as DCLK out-put  port,PA5  as  CONF  DONE in  port

OEA=  ；

 ；∥            as output port，    as  n   out-put port

 ；∥ PC4 as Nstatus  input port ，PC5 as DATAO output port

……

OUTC&=0  ；∥        

   ∥                       10     the     are 

                 ∥                          

 ∣=  08；  ∥Set Nconfig=1；

……

3.4 數(shù)據(jù)傳輸通道的實現(xiàn)

本系統(tǒng)中EN  USB芯片工作于快速數(shù)據(jù)傳輸模式。在這種模式下，芯片提供的一個8位并行的數(shù)據(jù)總線可以與外部的FIFO結構相連接。當USB總線開始一次數(shù)據(jù)傳輸時，芯片將發(fā)出一個讀或寫通信號。與此信號同步，芯片與外部FIFO每次可以完成一個字節(jié)的數(shù)據(jù)交互。把它和USB總線上的塊傳輸模式相結合，芯片并行總線上就可以實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的傳輸。

由于本解決方案是將EPGA輸出的數(shù)字信號發(fā)送到上位機去，因此在數(shù)據(jù)傳輸通道中只涉及到了USB總線讀的操作。在這種條件下，EP1K30中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道的程序流程圖如圖5所示。

在圖5中，EP1K30在采集到A/D轉換器的12位輸出數(shù)據(jù)之后，為把它發(fā)送到AN2135SC芯片中，必須首先轉換為8位數(shù)據(jù)，我們將12位數(shù)據(jù)分層高4位和低8位兩部分，分高、低字節(jié)兩次發(fā)送出去。其中高字節(jié)的高4位傳送12位數(shù)據(jù)的高4位，低4位填充0。A/D轉換器的12位數(shù)據(jù)分成兩個字節(jié)后，先傳送低字節(jié)，后傳送高字節(jié)，后傳送高字節(jié)。我們利用EP1K30芯片中的嵌入式陣列塊（EAB），借助ALTERA公司提供的雙端口RAM宏函數(shù)，生成一個2K大小的雙端口緩沖器來緩沖數(shù)據(jù)。

                  圖5 數(shù)據(jù)傳輸通道程序流程圖

每次數(shù)據(jù)總線讀操作的啟動均由AN2135SC芯片發(fā)送一個讀選通信號來實現(xiàn)。AN2135SC芯片發(fā)送到EP1K30芯片的讀選通信號可以作為上述緩沖器數(shù)據(jù)輸出的同步信號，EP1K30芯片也利用這個選通信號來控制緩沖器的輸出地址指針。實現(xiàn)這部分功能的AHDL源代碼如下：

 ；

 ；

    00000000000”then

上面的程序給出了這一次讀過程中讀地址指針的變化情況。隨著讀地址指針的變化，緩沖器中的數(shù)據(jù)順次輸出到數(shù)據(jù)總線D[7…0]上去。程序中  …0]為緩沖器的讀地址指針，  …0]是緩沖器的輸出端口，  …  是  芯片的數(shù)據(jù)總線  …  。

3.5   功能的實現(xiàn)

在  芯片與  芯片進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，雙方需要一些握手信號來協(xié)調傳輸過程。為此，我們選擇了  芯片中的I2C總線主控制器作為  端口，用來傳輸一些必要的控制和狀態(tài)信息。

為了與  芯片中的I2C總線主控制器配合工作，我們在  芯片中編寫了一個I2C總線從模塊，使得I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸能夠順利進行。根據(jù)I2C總線傳輸規(guī)范，我們設定了一個狀態(tài)機  ，它共有如下7個狀態(tài)：  。圖6給出了此狀態(tài)機的狀態(tài)圖。

                         圖6 I2C總線狀態(tài)機流程圖

由圖6可以看出，在開始條件（  產生后，  由空閑（  狀態(tài)進入地址狀態(tài)（  。我們在  中指定了兩個寄存器用于存儲從I2C總線上發(fā)送來的控制信號和將要發(fā)送到I2C總線上的狀態(tài)信號，它們分別是控制寄存器  ‥0  和狀態(tài)寄存器  ‥0 ，這兩個寄存器地址的高4位均為“1110“。同樣，我們可以把1  芯片中所有由I2C總線尋址的寄存器的高4位地址都設定為“1110”。如圖6所示,I2C總線在地址期內發(fā)送的高位地址只有為“1110”時，1  才會產生響應。這樣做的好處是便于擴充其它I2C總線設備。

I2C總線在地址期內發(fā)送的最低地址用于指定隨后的數(shù)據(jù)傳輸是主要設備讀還是主設備寫，高電平表示主設備讀，低電平表示主設備寫。讀寫狀態(tài)轉換如圖6所示。因此，8位地址中可以用作尋址  端口的地址位為 ‥  。

4  結束語

本文介紹了數(shù)據(jù)通信解決方案中數(shù)據(jù)傳輸通道和GPID功能的實現(xiàn)。實驗證明，兩個模塊配合工作即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常傳輸,從而順利地將A/D轉換器的輸出信號經USB總線傳送到上位機去。這個解決方案基于USB總線設計并且結合FPGA來進行控制，充分利用了USB總線數(shù)據(jù)傳輸速率高、USB設備可熱插撥等功能和FPGA速度快、效率高、配置靈活的特點。經實踐證明，它是一個功能完備、高效穩(wěn)定的解決方案.