利用USB2.0技術的高速雙路數據采集系統

摘要：本文設計了一種基于USB2.0芯片CY7C68013和Maxim公司的高速并行模數轉換芯片MAX1195的高速雙路數據采集系統，采用EZ-USB FX2 的特有的GPIF(General Programmable? Interface)傳輸方式，徹底打破了8051CPU對USB2.0傳輸速率的瓶頸，同時避免了使用其他微處理器或者CPLD、FPGA等的硬件開支。本文詳細介紹了該數據采集系統的硬件組成和軟件設計，包括單片機CY7C68013的固件設計和計算機主機用戶程序。通過與高精度激光縱模分析儀的連接調試，證明該系統已經達到了既定目標。
　　1．引言

　　近年來，USB接口由于其傳輸速率高，真正的即插即用等優點正在逐漸取代傳統的計算機接口如：RS232，EPP等。目前，許多的芯片生產商都推出了符合USB協議的芯片，如Philips公司的PDIUSBD12，NS公司的USBN9602等。在眾多的USB2.0芯片中，Cypress公司的EZ-USB FX2(CY7C68013)芯片是一個不錯的選擇。本文設計了一種基于EZ-USB FX2和MAX1195的數據采集系統，該系統符合USB2.0協議標準，通過與高精度激光縱模分析儀連接進行調試，證明該系統達到了預定目的。

　　2. CY7C68013芯片和MAX1195芯片介紹

　　2.1 CY7C68013介紹：

　　CY7C68013在一塊芯片上同時集成了USB2.0收發器，串行接口引擎SIE，增強型的8051微控制器以及一個可編程外圍接口GPIF(General Programmable Interface)。CY7C68013的“量子FIFO”(FIFO，先進先出存儲器)特性使得無需8051CPU的任何干預，數據即可從外設上傳到主機，這種數據傳輸模式徹底解決了USB2.0收發器與一般8051微控制器連接時由于8051的時鐘頻率低而導致的傳輸速率瓶頸問題。CY7C68013芯片的另一個突出優點是其“‘軟’配置”，代碼和數據能夠直接通過USB接口下載到片內的RAM上，這一功能通過Cypress公司獨創的“重枚舉”(ReNumerationTM)功能實現。CY7C68013芯片有四個可編程的批量、中斷、同步傳輸端點，可以分別設置為雙緩沖，三緩沖和四緩沖模式，8位或者16位的外部數據接口，該接口可以根據需要工作在 GPIF或者SLAVEFIFO模式。其中GPIF能夠和絕大部分并行接口如FIFO等實現“無膠”連接，即無需外加任何微控制器或CPLD、FPGA 等。本文的設計中采用了GPIF方式。

　　2.2 MAX1195介紹：

　　MAX1195是由MAXIM公司推出的一款低功耗、雙路、高速、八位模數轉換芯片，采用流水線(Pipeline)結構，最高采樣率40Mbps，內部集成了兩個 ADC，真正實現兩路同步采樣轉換。其工作電壓范圍是2.7V-3.6V，具有減小功耗的休眠模式和關斷(Shut-Down)模式，單端或者差分輸入方式，片上采樣保持(T/H)電路，內部或者外部參考電壓，含有用戶可選擇的數據輸出格式：二的補碼格式或者補償二進制碼格式，具有輸出使能控制，可以將輸出置為高阻態。此外MAXIM還提供了與MAX1195引腳、封裝完全兼容的10位、更高采樣率的模數轉換芯片，如MAX1197、MAX1198等，因此系統升級非常方便。在本文的工作中，采用了內部參考電壓、雙路單端模擬輸入、補償二進制碼輸出格式。

　　3．系統整體構成及其工作原理介紹：

　　3.1系統構成：

　　系統的整體框圖如圖1所示。整個系統主要包括USB傳輸芯片CY7C68013,先進先出存儲器(FIFO)SN74V235和模數轉換芯片MAX1195組成。反相器74LVC04主要起MAX1195和FIFO之間的邏輯控制作用。

　　圖1?????? 系統整體框圖

　　3.2系統工作原理：

　　MAX1195的兩路輸入信號是同時被采樣的，十六位的數據輸出總線使兩路數據可以同時輸出，分別占八位，即：D0A~D7A和D0B~D7B；SN74V235輸入為18位，根據CMOS技術的要求，將未使用的D16和D17引腳接地。MAX1195采集到的數據首先送進FIFO里， FIFO的寫時鐘(WCLK)和AD的轉換時鐘反相，這樣可以充分滿足MAX1195輸出數據的建立時間，避免發生數據丟失或者數據重復寫入現象。 SN74V235的 (Programmable Almost Full)可編程幾乎滿信號經74LVC04反相后接MAX1195的Sleep和 引腳，以免FIFO發生溢出而丟失數據。SN74V235的數據輸出引腳Q0~Q15與CY7C68013的GPIF模式下的數據線FD[15:0]即端口B和端口D組成的十六位數據總線相連，數據SN74V235到EZ-USB FX2的時序過程由CY7C68013的GPIF 控制。FX2采用了“量子FIFO”結構，在FX2里面，數據可以分為兩個域：USB域和GPIF接口域。這兩個域是獨立的，允許分別使用不同的時鐘和邏輯控制數據的傳輸，USB域是由SIE控制的，SIE通過USB口接收或者發送端點FIFO的數據。FX2的“量子FIFO”能夠幾乎不花時間在這兩個數據域中的轉移數據，因為這兩個域用的FIFO在物理上是同一個。所以根據“量子FIFO”原理，實際上數據已經存在于屬于USB域的端點FIFO里面了，采用USB的BULK傳輸方式，使該數據完全不經過低頻CPU干預，而是采用FX2提供的AutoIn模式，即一旦FX2端點緩沖區的數據達到指定字節數，數據將自動被打包從USB口上傳到主機。

　　3.3 GPIF波形及程序介紹：

　　GPIF是FX2的端點FIFO的片內控制器，可以完全代替片外的控制器而實現FX2與外圍FIFO的“無膠”連接。GPIF的核心是一個可編程狀態機，可以產生六個“控制”(CTL)和九個“地址”(GPIFADR[8:0])信號，可以接收六個外部(RDY)“準備好”輸入，八位或者十六位數據總線，時鐘可以用FX2的IFCLK，也可以由外圍提供。本文GPIF接口的詳細硬件連接如圖2所示。

　　圖2? GPIF與SN74V235詳細連接圖

　　GPIF狀態機可以定義四個波形描述符，一般情況下是：FIFO讀，FIFO寫，單字/字節讀，單字/字節寫。Cypress提供了圖形化的波形描述工具GPIF Designer，用戶只需要給出GPIF波形，GPIF Designer會自動生成C語言的波形代碼Gpif.c，可以直接鏈接到用戶的固件程序中。本文中用到了FIFORd描述符，波形如圖3所示。

　　圖3????? GPIF Designer設計的 FIFORd波形

　　4.系統軟件編寫

　　系統軟件主要包括三個部分：下位機CY7C68013的固件，USB驅動程序和上位機主機應用程序。

　　4.1 固件程序編寫

　　對于下位機CY7C68013的固件編寫，Cypress公司給出了在Keil C51下的固件程序框架，固件框架完成EZ-USB FX2的初始化、USB標準設備請求處理、USB掛起模式下的電源管理服務和USB中斷處理。Cypress還提供了函數鉤子來加速用戶代碼的添加。用戶只需要簡單地提供一個USB描述符表和執行外圍功能的代碼即可。

　　4.2 驅動程序編寫

　　Windows系統下的USB驅動包括三層，從高到低依次是：USB客戶端設備驅動(USB Client Device Driver)、USB總線驅動(USB Hub(Bus) Driver)、主機控制器驅動(Host Controller Driver)。后兩者由Windows系統提供，用戶只需要開發USB客戶端設備驅動程序，Cypress公司提供了一個通用的驅動程序 (General Purpose Driver)，即ezusb.sys，一般情況下，該驅動程序可以滿足FX2開發者的需要。本文使用了Cypress公司的通用驅動 ezusb.sys。為了使用ezusb.sys，用戶必須編寫對應的inf文件，inf文件將特定的USB設備綁定給相應的驅動程序，該inf文件參照 ezusbw2k.inf編寫。

　　4.3 主機應用程序編寫

　　通用驅動程序GPD即ezusb.sys提供了基本USB設備請求和數據傳輸的用戶模式接口，用戶模式應用程序通過Win32函數 DeviceIoControl()給設備驅動器發送請求。Ezusb.sys提供了基本設備請求、批量讀寫、同步讀寫等一系列IOCTL函數。這里以 IOCTL_EZUSB_BULK_READ（EZUSB批量傳輸）為例加以介紹。

　　批量傳輸模式下讀FX2的端點FIFO的關鍵代碼如下：

　　DWORD? ioctl_val=IOCTL_EZUSB_BULK_READ;? //設置從設備中讀數據

　　Bresult=DeviceIoControl ( hDevice , ioctl_val ,? //從設備讀數據

　　&bulkControl ,????? //端點號

　　sizeof ( BULK_TRANSFER_CONTROL),? //傳入參數的大小

　　buffer ,? //讀數據的緩沖區

　　length ,? //讀數據的長度

　　(unsigned long *)&nBytes , //驅動返回的數據的實際長度

　　NULL);

　　限于篇幅，其他程序代碼從略。

　　6．結束語

　　本文的創新點是充分發揮了CY7C68013的優勢，利用FX2的內部可編程狀態機GPIF實現了與外圍FIFO“無膠”連接，避免了使用外圍ASIC或者CPLD、FPGA等的麻煩，系統升級方便。整個電路結構緊湊，占用面積小，便于攜帶。

　　本文采用Cypress公司的USB2.0芯片CY7C68013設計了一種通用的高速雙路同步數據采集系統，通過將其與高精度激光縱模分析儀連接進行試驗，證明該系統實現了數據的高速實時傳輸，達到了預先設計的目標。隨著USB口的進一步普及和計算機的發展，本文設計的這種USB數據采集系統必將得到更加廣泛的應用。