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基于FPGA的數據采集系統的設計
劉 軍,,岳興蓮,何國國,,羅 石,吳碩開
摘要: 介紹了一種用于汽車姿態(tài)測量的數據采集系統的設計,,該系統基于FPGA+USB架構,,采用FPGA控制整個系統的采集時序, USB芯片作為數據采集通道,,上位機完成姿態(tài)解算和數據顯示功能,。
Abstract:
Key words :

  摘 要: 介紹了一種用于汽車姿態(tài)測量的數據采集系統的設計,該系統基于FPGA+USB架構,,采用FPGA控制整個系統的采集時序,, USB芯片作為數據采集通道,上位機完成姿態(tài)解算和數據顯示功能,。
    關鍵詞: FPGA,;USB;數據采集

   現代化生產和科學研究對采集系統的要求日益提高,。傳統的采集卡速度慢,、處理功能簡單、采用分立元件,、電路非常復雜,;而且可靠性差、不易調試,、不能很好地滿足特殊要求?,F場可編程門陣列(FPGA)是專用集成電路中集成度最高的一種,用戶可對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置,,以實現用戶所需邏輯功能,。用戶對FPGA的編程數據放入芯片,通過上電加載到FPGA中,,對其進行初始化,;也可在線對其編程,實現系統在線重構[1],。本系統設計采用USB2.0 CY7C68013通信接口芯片作為數據采集通道,由FPGA芯片EP1C6Q240C8N作為采集設備的控制單元,,由PC機完成姿態(tài)的解算及結果的顯示,。
1 系統的組成及原理
  該采集系統主要由前端調理模塊、A/D轉換控制模塊,、SRAM存儲模塊及USB接口模塊組成,,系統框圖如圖1所示。

 

 

2 FPGA主控器內部模塊
2.1 A/D轉換控制模塊

  A/D轉換模塊選用AD7685芯片,。AD7685是Analog Device公司生產的一款16位,、電荷再分配,、高速、低功耗的逐次逼近型模數轉換器(ADC),,具有250 kS/s采樣速率,。芯片在Verilog編程語言的控制下,完成模擬信號到數字信號的轉換,。
2.2 FIFO緩存
  調用FPGA片上資源實現片上FIFO緩存,,由于A/D采樣頻率與SRAM的讀寫頻率不一致,所以采用讀寫時鐘不同的FIFO,,達到數據緩存和轉換時鐘域的雙重目的,。
2.3 SRAM乒乓緩存模塊
    選用2片IS61LV25616存儲芯片,該芯片存儲容量為256K×16,,采用Verilog硬件描述語言控制實現乒乓緩存,,控制過程如圖2所示。從片上FIFO輸出的數據經選擇開關后,,分別進入緩沖模塊1和緩沖模塊2,。當數據寫入緩沖模塊1時,USB模塊從緩沖模塊2讀取數據,;當數據寫入緩沖模塊2時,,USB模塊從緩沖模塊1讀取數據以傳到上位機進行處理。

 


2.4 USB控制模塊
    USB接口芯片采用EZ-USB FX2(CY7C68013),,FX2作為USB2.0數據通道來實現與主機的高速通信,。FPGA能夠滿足Slave FIFO要求的傳輸時序[2]作為Slave FIFO主控制器。圖3分別給出了FX2與FPGA的接口圖和狀態(tài)轉換圖,。

 


    同步Slave FIFO寫時序如下:
    IDLE:當寫事件發(fā)生時,,轉到狀態(tài)1。
    狀態(tài)1:指向IN FIFO,,激活FIFOADR[1:0],,轉向狀態(tài)2。
    狀態(tài)2:如果FIFO滿標志為“假”(FIFO不滿),,則轉向狀態(tài)3;否則停留在狀態(tài)2,。
    狀態(tài)3:傳送總線驅動數據,為1個IFCLK激活SLWR,,轉向狀態(tài)4,。
    狀態(tài)4:如果有更多的數據要寫,則轉向狀態(tài)2,;否則轉向IDLE,。
3 USB芯片固件程序及驅動程序
3.1 FX2的固件程序設計

    CY7C68013芯片固件程序負責處理PC機發(fā)來的各種USB請求,以完成主機與外圍電路間的數據傳輸,。寫固件程序是比較復雜的,,需要用到大量的函數,,但其基本結構卻相對簡單,包括下面3個過程[3]:
    (1)初始化:處理器和外圍電路的初始化,。
    (2)主函數:完成符合設備特定要求的代碼,。
    (3)中斷處理:處理各種中斷的程序代碼。
    Cypress公司的EZ-USB FX2開發(fā)套件提供給用戶1個固件函數庫(Ezusb.lib)和固件框架(Framework),,兩者均是基于KEIL C51進行開發(fā)的,。固件函數庫提供了一系列的函數來加速USB固件程序的開發(fā),使用時只需在程序中包含EZUSB.H和EZREGS.H兩個頭文件,,并在項目中鏈接Ezusb.lib,,就可以直接使用固件庫中的各個函數[4]。
    在程序起始時,,固件框架將執(zhí)行如下步驟:
    (1)首先設置所有的內部狀態(tài)變量,,即設置起始的初值。
    (2)調用用戶的初始設置函數TD_Init(),,待返回后,,固件框架會設置USB為未配置的狀態(tài),并且使能中斷,。
    (3)緊接著在1 s的間隔內,,開始重新列舉設備,并直到設置(SETUP)封包收到端點0為止,。
    (4)一旦SETUP包被檢測到,,固件程序結構框架就開始進行任務分配。任務分配就是依次重復地執(zhí)行下面的過程:
   ①調用用戶函數TD_Poll(),。
  ?、跈z測是否有標準的設備請求,如果有,,則執(zhí)行指令并做出相應的操作,。
    ③檢測USB核是否有USB掛起信號,如果收到,,則調用用戶程序TD_Suspend(),,從該函數成功返回后(返回值為TRUE),再檢測是否發(fā)生USB喚醒事件,。如果未檢測到,,則處理器處于掛起方式;如果檢測到,,則調用用戶程序TD_Resume(),程序繼續(xù)運行,。如果從TD_Suspend()返回為FALSE時,,則程序繼續(xù)進行,。
    標準請求和vendor專用請求由框架分析和執(zhí)行。默認情況下,,對標準請求執(zhí)行USB規(guī)定的響應,,無論如何,框架提供交互的連接,,以允許用戶程序處理或覆蓋指定的設備請求,。EZ-USB中斷也交給框架進行處理,任務循環(huán)的流程圖如圖4所示,。

 


    在FX2芯片的固件程序設計中,,最關鍵的就是系統初始化TD_Init(void)[3-5],下面是其部分代碼,。

void TD_Init(void)    
{
    CPUCS=((CPUCS & ~bmCLKSPD)|bmCLKSPD1),;
                  //設置CPU時鐘頻率為48 MHz
    SYNCDELAY;  
                  //設置68013工作于Slave FIFO模式
    REVCTL=0x03,;      
                  //必須設置REVCTL.0和REVCTL.1為1
    SYNCDELAY,;
    IFCONFIG=0x43;     //工作于同步FIFO模式
    SYNCDELAY,;         //配置各個端點的工作狀態(tài)
    EP2CFG=0xE8,;       //端點2,IN,,塊傳輸,,1 024 B,4倍緩沖區(qū)
    SYNCDELAY,; 
    EP2FIFOCFG=0x09,;     //配置端點2工作于16位模式,自動接收IN令牌包
    SYNCDELAY,; 
    PINFLAGSAB=0x00,;   //定義FLAGA為可編程級標志,FLAGB:FIFO滿標志位
    SYNCDELAY,;         //定義FLAGC為滿標志,,
    PINFLAGSCD=0x00;
    SYNCDELAY,;         //一般不需要FLAGD
    PORTACFG=0x00,;    //用PA7/FLAGD作為端口引腳,不作為FIFO標志
    SYNCDELAY,;
    FIFOPINPOLAR=0x00,;      //設置所有FIFO接口引腳為低電平有效
    SYNCDELAY;
    EP2AUTOINLENH=0x02,;    //端點2自動接收512B數據
    SYNCDELAY,;
    EP2AUTOINLENH=0x00,;
    SYNCDELAY;
                           //復位EP2的FIFO緩沖區(qū)
    FIFORESET=0x80,;       //不接收主機發(fā)出的命令
    SYNCDELAY,;
    FIFORESET=0x02;       //復位EP2的FIFO緩沖區(qū)
    SYNCDELAY,;
    FIFORESET=0x00,;              //恢復正常工作
    SYNCDELAY;
    Rwuen=TRUE,;              //使能遠程喚醒功能 
}
3.2 USB設備驅動程序
    USB設備驅動程序的主要功能是使Win32應用程序能正確訪問本數據采集卡的硬件設備,。本設計中將CY7C68013的固件代碼存放在上位機上,當系統上電或USB連接時,,再將它下載至芯片的RAM中,,由增強型8051執(zhí)行。這一過程需要使用2個驅動程序:1個用于下載芯片的固件程序,,另1個用于實現本數據采集卡的具體功能,。也可以使用EZ-USB的通用驅動程序,很多USB芯片的廠商都為其USB芯片提供了通用驅動程序,,可以滿足大部分系統的需求,,用戶可在此基礎上直接進行固件程序的開發(fā)[6]。
4 主機應用程序
  應用程序主要負責讀取系統硬件所輸出的數據采集結果,,并實時顯示波形,,所使用的編程語言為微軟的Visual C++6.0語言編寫的Win32應用程序。
  主要控件包括:采集控制組按鈕,,USB組按鈕,。采集控制組按鈕負責控制硬件系統是否進行數據采集,并使用USB塊傳輸來讀取采集結果,。USB組按鈕主要負責讀取該數據采集卡的USB設備描述符和配置描述符,。
  在該數據采集系統的設計中,CY7C68013芯片靈活的接口和FPGA可編程特性簡化了外部硬件的設計,,提高了系統的可靠性,,且利于設備的生產與調度。事實證明,,本文設計的系統完全滿足設計和使用要求,。
參考文獻
[1] 嚴雪萍.基于FPGA的高速數據采集系統[J].微計算機信息,2008(1-2):209-211.
[2] 華清遠見嵌入式培訓中心.FPGA應用開發(fā)入門與典型實例[M].北京:人民郵電出版社,,2008.
[3] 錢峰.EZ-USB FX2單片機原理,、編程及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.
[4] 李英偉.USB2.0原理與工程開發(fā)(第2版)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.
[5] 張弘.USB接口技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,,2002.
[6] 薛園園.USB應用開發(fā)技術大全[M].北京:人民郵電出版社,,2007.

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