引言

在我国由于电子技术水平相对落后，许多高精度、高性能的电子仪器都要进口，价格昂贵，难以被广泛使用，因而研制成本低、高性能的虚拟仪器，是很有必要的。针对此项需求，文中提出一种新USB2 .0接口多功能数据采集系统解决方案,解决其传输速率的问题。

图1 系统框架图

1 系统整体结构概述

本设计主要是基于USB2.0高速接口芯片和ARM芯片，设计一个可对模拟信号进行采集并在LabView上显示的系统。该系统的整体结构框图如图1所示。

系统主要由信号采集模块、USB接口模块和PC机三个主要部分组成。其中信号采集模块包括信号调理电路和ADC电路；USB接口模块主要是ARM芯片FT2232H的FSMC对FT2232H中的FIFO进行读写操作；PC机软件部分是由驱动程序、动态链接库和LabView应用程序构成。

信号采集模块和USB接口模块主要把信号采集模块采集到的数据传到PC机，也要使PC机的控制信息能够传到信号采集模块和USB接口模块上，从而控制数据采集工作。其中，LabView应用程序要能够对采集到的数据进行处理、显示，以及对下位机采集的控制。

系统的基本工作原理略——编者注。

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1 信号采集电路设计

信号采集电路的功能就是采集被测信号波形数据，并把它存到处理器内存中。首先，将信号进行预处理，再经过A/D转换器转换成数字信号，最后存入处理器中。信号采集电路可以分为以下两个部分：信号调理、A/D转换。

如图2所示，信号调理电路的主要作用就是使输入信号满足A／D转换基准电压幅度要求，也可扩大输入信号范围，滤去不必要的干扰，如高频谐波、工频干扰、地线干扰、共模信号等。模拟信号调理电路主要包括：幅度控制、共模相减器，该电路主要采用两级运算放大器电路构成OP07CP为放大芯片。A/D采集需要基准电压，而STM32F103内部提供的参考电压不太稳定，利用基准电压芯片TL431，其引脚1输出2.5 V参考电压，外加滤波电容，布局靠近主控芯片，可以稳定工作。

图2 被测信号调理电路

STM32F103作为新一代ARM CortexM3核处理器，最高工作频率达72 MHz,资源丰富，功能强大。具有2个12位模/数转换器，1 μs转换时间（多达16个输入通道）,转换范围为0～3.6 V，具有双采样和保持功能，而其特殊的可变静态存储技术FSMC具有高度的灵活性，其卓越的性能和功耗控制能够适用于广泛的应用领域。

2.1.2 USB接口电路设计

FTDI推出的第5代USBtoUART/FIFO IC 支持 480 Mb/s USB 2.0的高速规范，并可在各种工业标准的串行或并行接口（例如UART或FIFO）下进行配置。FT2232H提供两种可配置的接口，均可配置为UART、JTAG、SPI、I2C总线或带独立波特率发生器的位响应模式串口。内部集成了USB协议引擎（可以控制UTMI，处理USB 2.0高速接口的各个方面），并且集成了整个USB协议。

93C56是微芯公司的一款基于SPI串行接口的EEPROM，容量大小为256×8位或128×16位，具有高可靠性，可擦定寿命100万次，数据保持时间为100年。

EEPROM 93C56用于保存FT2232H配置完成的工作模式等。若无EEPROM，则FT2232H默认工作在USBUART方式，双向稳压二级管保证USB传输数据稳定。

FT2232H与STM32F103的接口电路略——编者注。

FSMC读写FIFO的过程如图3和图4所示。读过程：当RXF为低时，即可以读FIFO中数据。将RD拉低即可读出数据；写过程：当TXE为低时，即可以向FIFO中写数据。先给数据线上提供数据，然后拉低WR即可写入数据。

图3 异步FIFO模式下读信号波形

图4 异步FIFO模式下写信号波形

2.2 系统软件设计

一个 USB设备的软件一般由设备固件、设备驱动程序及应用程序组成。本文主要介绍 USB设备固件和应用程序的设计。在设备驱动程序里，FTDI公司提供了串口VCP和D2XX两种驱动程序，免去了复杂的USB驱动程序的开发过程。

2.2.1 设备固件设计

图5 FT2232的配置与显示

设备固件设计包括配置相关模式、主控器读FT2232H的读写控制。如图5所示，FTDI公司提供了MProg 3.5软件，方便配置各种传输模式。MProg 3.5软件应用于异步FIFO传输方式，利用D2XX Direct驱动程序，可在PC机设备管理器上看见USB的两个设备。

主控器读写FT2232H的读/写控制，利用STM32F103的FSMC的灵活性管理1 GB的映射地址空间，可分为4个256 MB的子BANK,本设计采用BANK1中SRAM控制方式，而FIFO没有地址线，却有空/满信号线。STM32F103的FSMC分配表如表1所列。

表1 STM32F103的FSMC分配表

针对异步FIFO时序要求，定义读写地址为(uint32_t)(0x60000000),利用ST提供的固件库进行主要初始化操作如下：

FSMC_NORSRAMInitTypeDefFSMC_InitStruc;//定义初始化数据结构体

FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDefp;//定义初始化时间参数结构体读写FIFO时序的定义,时间设置查看FT2232H DataSheet

p.FSMC_AddressSetupTime=0×1;

p.FSMC_AddressHoldTime=0×0;

p.FSMC_DataSetupTime=0×01;

p.FSMC_BusTurnAroundDuration = 0;

p.FSMC_CLKDivision=0;

p.FSMC_DataLatency=0;

p.FSMC_AccessMode=FSMC_AccessMode_A;

/*与FSMC相关数据寄存器配置*/

FSMC_InitStruc.FSMC_Bank = FSMC_Bank1_NORSRAM1;//扩展端口为NOR BANK的第1个BANK

FSMC_InitStruc.FSMC_DataAddressMux = FSMC_DataAddressMux_Disable;//不使用总线复用

FSMC_InitStruc.FSMC_MemoryType = FSMC_MemoryType_PSRAM;//扩展类型为SRAM读写方式

FSMC_InitStruc.FSMC_MemoryDataWidth = FSMC_MemoryDataWidth_8b;//扩展总线宽度8位

FSMC_InitStruc.FSMC_ReadWriteTimingStruct = &p;//读写统一时间参数

FSMC_InitStruc.FSMC_WriteTimingStruct = &p;//指向定义的时间结构

/*调用初始化函数，实现对FSMC的配置*/

FSMC_NORSRAMInit(&FSMC_InitStruc);

/*使能FSMC*/

FSMC_NORSRAMCmd(FSMC_Bank1_NORSRAM1, ENABLE);

A/D采集数据通过STM32F103自带的DMA传送到内部RAM，通过幅值变换，再用FSMC写FIFO,将数据传输到PC，经由上位机显示波形和相关数据。主程序软件流程图、DMA中断软件流程图如图6、图7所示。

图6 主程序软件流程图图7 DMA中断软件流程图

2.2.2 上位机程序设计

LabView是美国NI公司推出的一种基于C语言的虚拟仪器软件开发工具，具有强大的数据采集功能，内含丰富的数据采集、数据信号分析以及控制等子程序。

利用LabView做USB的数据采集系统，需要驱动程序支持，如图8所示，可不必掌握从硬件结构到软件系统的所有细节。FTDI公司提供动态链接库文件(.dll)，在Windows操作系统中，对USB接口通信采用阶层式的驱动模式，每个驱动程序阶层负责处理一部分通信工作。在应用程序的阶层中，以设备驱动程序与系统的总线驱动程序来通信，而其中总线的驱动程序用来处理USB的硬件。应用程序调用Windows API函数与设备驱动程序联系，从而实现对硬件的控制。在本系统中，LabView调用ftd2xx.dll，可将动态链接库中各个函数做子VI，可以参照D2XX_Programmer's_Guide中各个函数的使用方式。

图8 USB功能体系结构图

Labview程序设计模式采用状态机形式，如图9所示。

图9 LabView程序

3 相关功能实现

3.1 读功能展示

采样模拟信号在应用程序上显示波形和数据，读功能运行结果界面略——编者注。函数发生器提供一正弦波的电压信号接到信号调理端的输入端，经过稳幅和STM32F103的A/D采样，将12位的数字信号压缩成8位，通过FSMC写入FIFO，然后由LabView应用软件读出并显示其正弦波波形。

3.2 写功能展示

如图10所示在LabView界面的写区域，写上一定量的数据，数据经由设备传输到FT2232H的FIFO中，再由按键控制读FIFO内数据到串口打印屏幕上。

图10 写功能运行结果的界面

3.3 传输速率测试

如图11所示，STM32F103中准备1024个字节的数据传输到PC机，并计算其传输速率。

图11 测试速率功能运行结果的界面结语

用LabView开发USB高速传输系统，相对方便，USB的普及加上LabView在采集测试行业的优势，不用掌握USB协议细节，便可利用其在多通道采集数据和大量数据传输的优势广泛应用。一般的串口和全速的USB不可能达到3 011 KB。然而，为了能得到更高的速率，设计应采用同步FIFO方式加FPGA控制的传输模式，但是这样成本就会增加。