基于USB总线的高速数据采集系统

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了一种基于USB总线的高速数据采集系统,讨论了USB控制器EZ-USB FX2CY7C68013的性能及传输方式给出了该系统的硬件和基于GPIF主控方式实现数据传输的软件设计方法。 关键词:USB;数据采集;EZ-USB FX2;GPIF 1 引言 现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。目前比较通用的是在PC或工控机内安装数据采集卡(如A/D卡及422、485卡)。但这些数据采集设备存在以下缺陷:安装麻烦、价格昂贵、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制,可扩展性差,同时在一些电磁干扰性强的测试现场,可能无法专门对其作电磁屏蔽,从而导致采集的数据失真。 传统的外设与主机的通讯接口一般是基于PCI总线、ISA总线或者是RS-232C串行总线。PCI总线虽然具有较高的传输速度(132Mbps),并支持“即插即用”功能,但其缺点是插拔麻烦,且扩展槽有限(一般为5~6个),ISA总线显然存在同样的问题。RS-232C串行总线虽然连结简单,但其传输速度慢(56kbps),且主机的串口数目也有限。 通用串行总线(Universal Serial Bus,简称USB)是1995年康柏、微软、IBM、DEC等公司为了解决传统总线的不足,而推出的一种新型串行通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点,已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于USB的数据采集系统充分利用USB总线的上述优点,有效地解决了传统数据采集系统的缺陷。USB的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择,以满足不同的系统和部件及相应不同的功能,从而给使用带来极大方便。 2 系统介绍 2.1 数据采集系统的结构与功能 常见的数据采集系统的硬件总体结构如图1所示。其中数据采集接口卡是硬件部分的核心,它包括A/D转换器、微控制器、USB通信接口等。 在高速数据采集系统中由于现场输入信号是高频模拟信号,因而信号的变化范围都比较大如果采用单一的增益放大那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程所以必须根据信号的变化相应地调整放大器的增益。在自动化程度较高的系统中希望能够在程序中用软件控制放大器的增益AD8321正是这样一种具有增益可编程功能的芯片。AD8321是美国AD公司生产的一种增益可编程线性驱动器。它具有频带宽、噪声低、增益可编程且易于与单片机进行串行通信等优点,十分适合在数据采集系统中做前置放大。 经过调理后的信号可送入模/数变换器(ADC)进行A/D变换。笔者选用的ADC是TLC5540,它是一种高速8位模拟数字转换器,能以高达每秒40M的采样速率进行转换,由于采用半闪速结构和CMOS工艺制造,因此功耗和成本很低。其75MHz(典型值)的模拟输入带宽使该器件成为欠采样应用的良好选择。该器件带有内部电阻,可用于从5V电源产生2V满度的基准电压,以减少外部元件数。数字输出置于高阻方式。它仅需要5V电源工作,可由USB总线供电。 由于数据采集接口卡是硬件部分的核心,因此应选择能适用USB协议的合适芯片。EZ-USB FX2是一种USB2.0集成微控制器。它的内部集成了USB2.0收发器、串行接口引擎(SIE)、增强的8051微控制器和一个可编程的串行接口。其主要特性如下: ●带有加强的8051内核性能,可达到标准8051的5~10倍,且与标准8051的指令完全兼容; ●集成度高,芯片内部集成有微处理器、RAM、SIE(串行接口引擎)等多个功能模块,从而减少了多个芯片接口部分需要时序配合的麻烦; ●采用软配置,在外设未通过USB接口接到PC机之前,外设上的固件存储在PC上;而一旦外设连接到PC机上,PC则先询问外设是“谁”(即读设备描述符),然后将该外设的固件下载到芯片的RAM中,这个过程叫做再枚举。这样,在开发过程中,当固件需要修改时,可以先在PC机上修改好,然后再下载到芯片中; ●具有易用的软件开发工具,该芯片开发系统的驱动程序和固件的开发和调试相互独立,可加快开发的速度。 图2 USB接口示意图 2.2 方案选择 FX2有三种可用的接口模式:端口、GPIF主控和从FIFO。 在“端口”模式下,所有I/O引脚都可作为8051的通用I/O口。 在“从FIFO”模式下,外部逻辑或外部处理器直接与FX2端点FIFO相连。在这种模式下,GPIF不被激活,因为外部逻辑可直接控制FIFO。这种模式下,外部主控端既可以是异步方式,也可以是同步方式,并可以为FX2接口提供自己的独立时钟。 “GPIF主控”接口模式使用PORTB和PORTD构成通向四个FX2端点FIFO( EP2 EP4 EP6和EP8)的16位数据接口。GPIF作为内部的主控制器与FIFO直接相连,并产生用户可编程的控制信号与外部接口进行通信。同时,GPIF还可以通过RDY引脚采样外部信号并等待外部事件。由于GPIF的运行速度比FIFO快得多,因此其时序信号具有很好的编程分辨率。另外,GPIF既可以使用内部时钟,也可以使用外部时钟。故此,笔者选择了GPIF模式。 高速数据采集卡的设计存在两大难点:一是模拟信号的A/D高速转换;二是变换后数据的高速存储及提取。对于第一个问题,由于制造ADC的技术不断进步,这个问题已经得到解决。而对于第二个问题,一般的数据采集系统是将A/D转换后的数据先存储在外部数据存储器中,然后再对其进行处理。对于高速数据采集而言,这种方式将严重影响采集速度,且存储值也会受到很大限制。而改进方案是将A/D转换后的数据直接送至计算机内存,这样,采集速度将大大提高,而且可存储大量数据,以便于下一步的处理。 为了解决同步问题,可以由CPLD产生同步时钟信号提供给ADC和FX2。在本数据采集系统的设计中,CPLD同时还可用于产生不同的控制信号,以便对采样进行实时控制。CPLD是复杂可编程逻辑器件,它包括可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元和可编程内部连线。由于CPLD的内部资源丰富,因而可广泛应用在数据采集、自动控制、通讯等各个领域。在本系统的设计中,笔者选用的CPLD是Lattice公司的ispLSI1016。图2所示是其整个USB接口卡的硬件电路图。 3 系统软件设计 该系统软件主要包括USB设备驱动程序、设备固件和应用程序。 3.1 设备固件(Firmware)设计 设备固件是设备运行的核心,可采用汇编语言或C语言设计。其主要功能是控制CY7C68013接收并处理USB驱动程序的请求(如请求设备描述符、请求或设置设备状态,请求或设置设备接口等USB2.0标准请求)、控制芯片CY7C68013接收应用程序的控制指令、控制A/D模块的数据采集、通过CY7C68013缓存数据并实时上传至PC等。 即使外部逻辑或内置的普通可编程接口(GPIF)在没有CPU的任何干涉下能够通过四个大的端点FIFO来处理高速宽带数据,固件还是有如下固定的工作: ●配置端点; ●通过控制端点零来响应主机请求; ●控制和监测GPIF的活动; ●利用USART处理所有的特殊请求任务,如计时器、中断、I/O引脚等。 3.2 USB设备驱动程序开发 USB系统驱动程序采用分层结构模型分别为较高级的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由两部分组成:较高级的通用串行总线驱动程序模块(USBD)和较低级的主控制器驱动程序模块(HCD)。 在上述USB分层模块中,USB函数层(USBD及HCD)由Windows提供,负责管理USB设备驱动程序和USB控制器之间的通信;加载及卸载USB驱动程序;与USB设备通用端点(endpoint)建立通信并执行设备配置、数据与USB协议框架和打包格式的双向转换任务。目前Windows提供有多种USB设备驱动程序,但并不针对实时数据采集设备,因此需采用DDK开发工具来设计专用的USB设备驱动程序。该设备驱动程序应由初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块以及I/O功能等四个模块来实现。 初始化模块可提供一个DriverEntry入口点以执行大量的初始化函数。 即插即用管理模块用来实现USB设备的热插拔及动态配置。当硬件检测到USB设备接入时,Windows查找相应的驱动程序,并调用它的DriverEn-try例程,同时告诉它添加了一个设备;然后,驱动程序为USB设备建立一个FDO(功能设备对象)。在此处理过程中,驱动程序收到一个IRP MN START DE-VICE 的IRP,在它之中包括有设备的资源信息。至此,设备被正确配置,驱动程序开始与硬件进行对话。当然,在设备运行过程中,如果设备状态发生变化(拔除、暂停等),PnP管理器也同样发出相应的IRP,以便由驱动程序进行相应的处理。 电源管理模块负责设备的挂起与唤醒。 I/O功能实现模块可完成I/O请求的大部分工作。当应用程序提出I/O请求时,它将调用Win32 API函数DeviceIoControl向设备发出命令,然后由I/O管理器构造一个IRP并设置其MajorFunction.域为IRP MJ DEVICE CONTROL。在USB设备驱动程序收到该IRP后它将取出其中的控制码并利用一个开关语句查找对应的程序入口。 3.3 应用程序设计 应用程序设计由两个部分组成:动态链接库和应用程序。动态链接库负责与内核态的USB功能驱动程序通信并接收应用程序的各种操作请求,而应用程序则负责对所采集的数据进行实时显示、分析和存盘。 动态链接库的工作原理如下:当它收到应用程序开始采样的请求后,首先创建两个线程:采样线程和显示存盘线程。采样线程负责将采样数据写到应用程序提交的内存;而显示存盘线程则负责给应用程序发送显示和存盘消息。当应用程序接收到此消息后,便从它提交的内存中读取数据并显示和存盘。要注意的是:采样线程和显示存盘线程在读写应用程序提交内存时要保持同步。 PC机或工控机应用程序是数据实时采集系统的中心可采用Labview编程。它是当今国际上唯一的编译型图形化编程语言,其特点如下: (1) 能完成对固体表面速度的实时测量; (2)主介面与多重窗口结合可完成数据连续采集、实时统计分析、系统参数设置、信号波形显示、被测参数输出等综合系统功能。 (3)能充分利用Labview开发平台和WINDOWS视窗所提供的良好操作环境集曲线、图形、数据于一体可准确描述过程参数的变化。 图3所示是用高速数据采集系统采集通过Lab-view显示的一个波形实例,其输入信号是一个频率为5MHz的正弦波。 4 结束语 随着电子计算机的广泛应用,社会的数字化程度越来越高,数据采集也越来越重要,本系统是一种通用的高速数据采集系统,可用于生物电波、电子学频谱、声波分析等瞬态信号的实时采集和观察等场合。其中基于USB总线的高速数据采集系统具有可靠性高、数据不丢失、抗干扰性强、便于数据传输和处理等优点,因而具有良好的应用前景和很大的实用价值。
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