ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）总线是ＩＮＴＥＬ、ＮＥＣ、ＭＩＣＲＯＳＯＦＴ、ＩＢＭ等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范。为了适应高速传输的需要,２０００年４月,这些公司在原１．１协议的基础上制订了ＵＳＢ２．０传输协议,已超过了目前ＩＥＥＥ１３９４接口４００Ｍｂｐｓ的传输速度,达到了４８０Ｍｂｐｓ。ＵＳＢ总线使用简单,支持即插即用ＰｎＰ（Ｐｌｕｇ Ａｎｄ Ｐｌａｙ）,一台主机可串连１２７个ＵＳＢ设备。设备与主机之间通过轻便、柔性好的ＵＳＢ线缆连接,最长可达５ｍ,使设备具有移动性,可自由挂接在具有ＵＳＢ接口的运行在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８／ＮＴ平台的ＰＣ机上。ＵＳＢ总线已被越来越多的标准外设和用户自定义外设所使用,如鼠标、键盘、扫描仪、音箱等。

笔者结合设备检测中数据采集的实际需要,设计了该高速同步数据采集系统。该系统最多可四路同步采样,单通道采样速度可达６２０ｋｓｐｓ,四通道同时采样速度可达１８０ｋｓｐｓ。ＵＳＢ接口控制芯片采用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司ＦＸ２系列中的ＣＹ７Ｃ６８０１３,通过对其可编程接口控制逻辑的合理设计和芯片内部ＦＩＦＯ的有效运用,实现了数据的高速连续采样和传输。

１ 基本原理

该采集系统总体框架分三部分：主机（能支持ＵＳＢ２．０协议的ＰＣ机）、内部包含ＣＰＵ及高速缓存的ＵＳＢ接口控制芯片（ＣＹ７Ｃ６８０１３）和高速同步采样芯片（ＭＡＸ１１５）,如图１所示。其数据传输分两部分：控制信号传输和采集数据传输。控制信号方向为由主机到外设,由外设ＣＰＵ控制,数据量较小;采集到的数据由外设到主机,数据量较大。为了保证较高的传输速度,不经过ＣＰＵ。系统基本操作过程为：主机给外设一个采样控制信号,ＦＸ２根据该信号向Ａ／Ｄ转换器送出相应控制信号,即采样模式控制字;之后由Ａ／Ｄ转换器自主控制转换,并将各通道采样数据存入其片内缓存。一旦转换完成,由Ａ／Ｄ的完成位向ＦＸ２的可编程控制接口发读采样结果信号;然后由可编程接口的控制逻辑依次将各通道采样结果从Ａ／Ｄ的缓存读入ＦＸ２的内部ＦＩＦＯ。当ＦＩＦＯ容量达到指定程度后,自动将数据打包传送给ＵＳＢ总线。期间所有操作不需要ＣＰＵ的干预。采样过程中接口控制逻辑依次取走批量数据,在打包传送时Ａ／Ｄ仍持续转换,内部ＦＩＦＯ也持续写入转换结果。只要内部ＦＩＦＯ写指针和读指针位置相差达到指定的值就立即取走数据。从而保证了同步连续高速采集的可靠性。

２ 硬件部分

２．１ 芯片介绍

ＣＹ７Ｃ６８０１３属于Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＦＸ２系列产品,它提供了对ＵＳＢ２．０的完整解决方案。该芯片包括带８ＫＢ片内ＲＡＭ的高速ＣＰＵ、１６位并行地址总线＋８位数据总线、Ｉ２Ｃ总线、４ＫＢ ＦＩＦＯ存储器以及通用可编程接口（ＧＰＩＦ）、串行接口引擎（ＳＩＥ）和ＵＳＢ２．０收发器。在代码的编写上,与８０５１系列单片机兼容,且速度是标准８０５１的３～５倍。

ＣＹ７Ｃ６８０１３与外设有两种接口方式：可编程接口ＧＰＩＦ和Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ。

可编程接口ＧＰＩＦ是主机方式,可以由软件设置读写控制波形,灵活性很大,几乎可以对任何８／１６ ｂｉｔ接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写,使用非常灵活。Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ方式是从机方式,外部控制器可象对普通ＦＩＦＯ一样对ＦＸ２的多层缓冲ＦＩＦＯ进行读写。ＦＸ２的Ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯｓ工作方式可设为同步或异步;工作时钟为内部产生或外部输入可选;其它控制信号也可灵活地设置为高有效或低有效。笔者在设计中采用主机方式。

ＭＡＸ１１５是美信公司的高速多通道同步采样芯片。含有两组４路同步通道,共８个输入端。采样精度为１２位,采样模式由采样控制字决定,可灵活地在两组中的１～４个通道间选择。采样时,各通道转换结果先存入其内部相对应的４个１２ｂｉｔ存储单元,各通道都转换完后再一起取走。

２．２ 电路原理及设计

考虑ＣＹ７Ｃ６８０１３与ＭＡＸ１１５接口时,采样模式不同,控制波形有所差别,笔者选择主机方式即可编程控制接口（ＧＰＩＦ）。

ＧＰＩＦ是ＦＸ２端点ＦＩＦＯ的内部控制器。在这种方式下,接口内核可产生６个控制输出端（ＣＴＬ０～ＣＴＬ５）和９根线的地址（ＧＡＤＲ[８:０])输出,同时可以接收６个外部输入(ＲＤＹ０～ＲＤＹ５)和２个内部输入。ＦＸ２有４个波形描述符控制各个状态。这些波形描述符可以动态地配置给任何一个端点ＦＩＦＯ。例如,一个波形描述符可以配置为写ＦＩＦＯ,而另一个配置为读ＦＩＦＯ。ＦＸ２的固件程序可以把这些描述符配置给四个ＦＩＦＯ中的任意一个,配置后,ＧＰＩＦ将依据波形描述符产生相应的控制逻辑和握手信号给外界接口,满足向ＦＩＦＯ读写数据的需要。ＧＰＩＦ的数据总线既可以是单字节宽（８位ＦＤ[７:０]）也可以是双字节宽（１６位ＦＤ[１５:０]）。每个波形描述符包含了Ｓ０～Ｓ６ 七个有效状态和一个空闲状态。在每个有效状态对应的时间段里,经过预先设置,ＧＰＩＦ可以做以下几件事情：（１）驱动（使为高或低）或悬浮６个输出控制端;（２）采样或驱动ＦＩＦＯ的数据总线;（３）增加ＧＰＩＦ地址总线的值;（４）增加指向当前ＦＩＦＯ指针的值;（５）启动ＧＰＦＩＷＦ(波形描述符)中断。除此之外,在每个状态,ＧＰＩＦ可以对以下几个信号中任意两个进行采样,它们是：（１）ＲＤＹＸ输入端;（２）ＦＩＦＯ状态标志位;（３）内部ＲＤＹ标志位;（４）传输计数中止标志位。把其中两个信号相与、相或或者相异或,根据结果跳转到其它任意一个状态或延迟１～２５６个ＩＦＣＬＫ时钟周期。当然也可以根据输入端的信号进行跳转或延迟。ＧＰＩＦ波形描述符通常用Ｃｅｐｒｅｓｓ公司的ＧＰＩＦ工具(ＧＰＩＦＴＯＯＬ)进行配置。它是一个可运行于Ｗｉｎｄｏｗｓ平台的应用程序,与ＦＸ２的开发包一起发布。

在这种方式下,所有的读写及控制逻辑通过ＣＹ７Ｃ６８０１３ 的ＧＰＩＦ以软件编程的方式实现,且控制逻辑的变换方便灵活（只需要改变接口的一个配置寄存器的值）。电路连接如图２所示。

本数据采集系统只用到了两个输出控制ＣＴＬ０、ＣＴＬ１和一个外部输入ＲＤＹ０,它们分别接ＭＡＸ１１５的ＣＯＮＶＳＴ＃、ＷＲ＃和ＩＮＴ＃。数据总线用双字节,其中ＦＤ０～ＦＤ１１接ＭＡＸ１１５的数据输入端Ｄ０～Ｄ１１,ＦＤ１２和ＦＤ１３接控制字输入端的Ａ２和Ａ３,ＦＤ０和ＦＤ１复用做控制字输入端的Ａ０和Ａ１。ＭＡＸ１１５的采样基准时钟由ＦＸ２的输出时钟经三分频得到,为１６ＭＨｚ。对应四种数据传输方式（八种不同的采样模式）,ＧＰＩＦ的控制及握手信号波形有所不同。四通道同步采样的时序图如图３所示。

在第一个判决点,若采样数据已准备就绪,ＭＡＸ１１５传给ＧＰＩＦ一个负脉冲信号ＲＤＹ０;根据此信号,波形按顺序转入２、３、４、５状态,使指向内部ＦＩＦＯ的指针在每个时钟上升沿加１,依次读取四个数据,取完数据后利用ＣＴＬ０的上升沿启动下一次采样。若在状态１时没有出现负脉冲,则直接跳转到状态６,之后重复执行此波形描述符。

三通道同步采样时,读取数据的状态只需要持续三次。其它采样模式控制波形的设计依此类推。

２．３ 固件程序设计

固件程序是指运行在设备ＣＰＵ中的程序。只有在该程序运行时,外设才能称之为具有给定功能的外部设备。固件程序负责初始化各硬件单元,重新配置设备及Ａ／Ｄ采样控制。固件代码的存储位置有三种：第一种是存在主机中,设备加电后由驱动程序把固件下载到片内ＲＡＭ后执行,即“重新枚举”;第二种方法是把固件代码固化到一片ＥＥＰＲＯＭ中,外设加电后由ＦＸ２通过Ｉ２Ｃ总线下载到片内ＲＡＭ后自动执行;最后一种方法是把程序固化到一片ＲＯＭ中,使之充当外部程序存储器,连在ＦＸ２三总线上。笔者选用第一种方式,这种方式便于系统的调试和升级。固件程序框图如图４所示。

３ 用户程序和驱动程序

３．１ 驱动程序的编写

该系统需要两个驱动程序,即通用驱动和下载固件的驱动。通用驱动完成与外设和用户程序的通信及控制;而下载固件的驱动则只负责在外设连接ＵＳＢ总线后把特定的固件程序下载到ＦＸ２的ＲＡＭ中,使ＦＸ２的ＣＰＵ重启,模拟断开与ＵＳＢ总线的连接,完成对外设的重新设置。主机根据新的设置安装通用驱动程序,重新枚举外设为一个新的ＵＳＢ设备。

通用驱动程序一般不需要重新编写,用Ｃｙｐｒｅｓｓ公司已经编好的驱动ｅｚｕｓｂ．ｓｙｓ;而下载固件的驱动则必须定做,其详细操作过程见参考文献[２]。

３．２ 用户程序的编写

用户程序是系统与用户的接口,它通过通用驱动程序完成对外设的控制和通信。在编写用户程序时,首先要建立与外设的连接,然后才能实施数据的传输。启动采样后,为了保证不丢失数据,用户程序应该建立一个新的工作线程专门获取外设传来的数据。程序中主要用到两个ＡＰＩ函数：ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ ()。ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）取得设备句柄后,ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ ()根据该句柄完成数据传输。程序代码简要如下：

ｈＤｅｖｉｃｅ ＝ ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ(″＼＼＼＼．＼＼ＥＺＵＳＢ－０″)

ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＲＥＡＤ ｜ ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＷＲＩＴＥ,

ＦＩＬＥ＿ＳＨＡＲＥ＿ＷＲＩＴＥ,

ＮＵＬＬ,

ＯＰＥＮ＿ＥＸＩＳＴＩＮＧ,

ＦＩＬＥ＿ＡＴＴＲＩＢＵＴＥ＿ＮＯＲＭＡＬ,

ＮＵＬＬ);

Ｉｆ (ｈＤｅｖｉｃｅ ＝＝ ＩＮＶＡＬＩＤ＿ＨＡＮＤＬＥ＿ＶＡＬＵＥ)

{

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－＞ＭｅｓｓａｇｅＢｏｘＡ(“无法创建设备,请确认设备是否连上！”,ＮＵＬＬ,ＩＤＯＫ);

}

ｅｌｓｅ

{

ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ (

ｈＤｅｖｉｃｅ,

ＩＯＣＴＬ＿ＥＺＵＳＢ＿ＢＵＬＫ＿ＷＲＩＴＥ,

＆ｂｌｋｃｔｌ,

ｓｉｚｅｏｆ(ＢＵＬＫ＿ＴＲＡＮＳＦＥＲ＿ＣＯＮＴＲＯＬ),

＆ｉｎＢｕｆｆｅｒ, ／／定义的数据缓冲区

ｓｉｚｅｏｆ(ｉｎＢｕｆｆｅｒ),

＆ｎＢｙｔｅｓ,

ＮＵＬＬ);

……

}

程序框图如图５所示。

在该高速同步数据采集系统的设计中,ＣＹ７Ｃ６８０１３芯片灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件的设计,提高了系统的可靠性,也利于ＰＣＢ板的制作与调试。另外,ＵＳＢ设备的可热插拔特性使得该系统具有便携式的特点,使用方便,无需关机重启或打开机箱进行安装。该数据采集系统已成功地应用于某型。