隨著大規(guī)模集成電路與計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集在語音處理、智能儀器、工業(yè)自動化及生物醫(yī)學工程等眾多領域中的地位日益突出，并且對數(shù)據(jù)采集的各項技術指標要求越來越高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡主要有PCI卡或者ISA卡，這些采集卡都存在著各種各樣的缺陷，比如傳輸速度慢、不支持熱插拔、安裝不方便、受計算機地址、中斷和插槽的限制，可擴展性差等[1]。
    近年來，USB接口以其傳輸速度快、成本低、可靠性高、支持即插即用和熱插拔等優(yōu)點[2]，迅速成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁鳌Ｒ虼耍_發(fā)這種基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，代表了現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢，必將被越來越多的用戶所接受。
1 系統(tǒng)工作原理與硬件結構
    基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分主要包括信號調理電路、A/D轉換電路、USB控制電路三部分。PC機端的應用程序通過USB主機發(fā)送控制信號，通知CY7C68013開始數(shù)據(jù)采集。當CY7C68013接收到控制信號以后，通過GPIF模式發(fā)送控制波形到MAX125，控制其開始的數(shù)據(jù)轉換。當MAX125接收到控制信號以后，開始進行數(shù)據(jù)采集。采集完成后，在USB主機控制器的控制下，MAX125把轉換后的數(shù)字信號發(fā)送到CY7C68013，最后通過USB總線把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機，并進行相應的處理。
    系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.1 信號調理電路和電源電路
    擬電壓范圍為-5 V~+5 V，所以在輸入信號進入之前必須進行相應的處理。本設計所采集的語音信號的電壓范圍是0~30 mV，初步調理之后的電壓范圍為0~2 V，為了得到所需的增益，采用同相輸入放大電路對初步調理后的電壓放大。完成電壓轉換后，還必須由低通濾波器濾除高頻信號，在本設計中，采用4階巴特沃斯濾波器。濾波電路和放大電路所采用的放大器為OP07，其輸入電壓范圍為±3 V～±22 V。本設計采用開關電源供電，提供的輸出電壓為±5 V、12 V，其中，MAX125需要5 V的數(shù)字電源和±5 V的模擬電源工作，運算放大器的供電電壓為5 V和－5 V，而系統(tǒng)中USB2.0芯片采用3.3 V供電，為此，需要電源轉換模塊以獲得系統(tǒng)所需要的電源電壓值,其中5 V轉3.3 V電壓用到AS1117-3.3系列芯片。
1.2 USB控制電路
    USB2.0傳輸芯片采用CYPRESS公司的CY7C68013A-56PIN，芯片的商標號是FX2。EZ-USB FX2微處理器是世界上第一款集成USB2.0的微處理器,具有增強型的8051內核性能、集成度高、方便靈活的軟配置和快捷的軟件開發(fā)工具等主要特性[3]。該芯片的內部結構如圖2所示，其中主要包括USB2.0收發(fā)器、串行引擎(SIE)、增強型的8051內核、16 KB的RAM、4 KB的FIFO存儲器、I/O接口、8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線和通用可編程接口(GPIF)。

    EZ-USB FX2是整個系統(tǒng)的控制核心，除了完成與上位機的USB總線通信，還要實現(xiàn)對A/D采樣電路的控制。CY7C68013本身有一個4 KB的內部FIFO存儲器，可以滿足常規(guī)的數(shù)據(jù)采集的需求，更重要的是其內部還提供了一個用于控制FIFO存儲器的通用可編程接口(GPIF)，大大方便了用戶的需求[4]，而且在GPIF的控制下，內部的FIFO利用其高速緩沖區(qū)可以在不需要固件的參與下與USB之間進行自動高速通信。GPIF是一個內置接口控制器，用來取代外接的控制邏輯，可以工作在內部時鐘(30 MHz或48 MHz)，也可以由外部時鐘驅動(5 MHz~48 MHz)。GPIF的核心實際上是一個可編程狀態(tài)機，最多可產生6個控制信號和9位地址總線。4個用戶定義的波形描述符控制這個狀態(tài)機，一般來講，有單次讀取、單次寫入、連續(xù)讀取、連續(xù)寫入4個波形[5]。在GPIF模式下，讀和寫的操作都是從EZ-USB的角度來說的。即一個讀波形數(shù)據(jù)傳輸表示數(shù)據(jù)從外部邏輯傳輸?shù)紼X-USB的內部FIFO，而一個寫波形數(shù)據(jù)傳輸表示數(shù)據(jù)傳輸從EZ-USB內部的FIFO發(fā)送到外部邏輯。FX2用4個波形描述符來控制各個狀態(tài)，這些波形描述符可動態(tài)地配置給任何一個端點FIFO。配置后GPIF將依據(jù)波形描述符產生相應的邏輯控制CTL及握手信號RDY來和外界接口,以滿足向FIFO讀寫數(shù)據(jù)的需要。GPIF的數(shù)據(jù)總線可以是8位，也可以是16位，本設計采用16位數(shù)據(jù)總線。
1.3 硬件連接圖
    EZ-USB FX2接口芯片和MAX125芯片的連接圖如圖3所示。

 
2 系統(tǒng)軟件設計
　系統(tǒng)的軟件設計主要包括固件設計、驅動程序設計和應用程序設計3部分。
2.1 固件程序設計
    固件程序是整個程序設計的核心，它主要負責處理PC機發(fā)送來的各種USB設備請求，并與外圍電路進行交換，存放在主機上，當系統(tǒng)上電或連接時將其自動下載到芯片的RAM中，并由8051執(zhí)行。固件程序主要包括設備初始化和GPIF波形控制。固件程序流程如圖4所示。

    USB的固件程序是由main主函數(shù)處開始執(zhí)行的，在主函數(shù)中，主要的初始化有：初始化休眠模式、遠程呼喚和自供電；初始化用戶設備。其中設備初始化包括FX2工作模式的配置和數(shù)據(jù)采集參數(shù)的配置。FX2工作模式配置主要包括時鐘模式和端點配置，用到的寄存器有CPUCS和EP2CFG。端點0作為控制傳輸，端點2作為輸入端點，傳輸方式為批量傳輸。這部分程序主要位于TD_Init( )中，此外還包括對生成的GPIF.C中的GPIF寄存器的初始化函數(shù)GPIFInit()的調用。
    GPIF編程主要包括GPIF工作模式的初始化、GPIF波形描述符配置、GPIF觸發(fā)三部分內容。GPIF工作模式初始化主要是對寄存器IFCONFIG、EP2FIFOCFG進行配置，即IFCONFIG=0xFA，EP2FIFOCFG=0x09。GPIF對MAX125的控制是按照GPIF波形描述符所表達的時序進行的。根據(jù)MAX125提供的讀寫時序，本系統(tǒng)利用CYPRESS提供的開發(fā)工具GPIF Designer設計了GPIF波形描述符。GPIF觸發(fā)過程是在TD_Poll()中實現(xiàn)的，其中寫AD控制字波形的代碼為：XGPIFSGLDATLXH=gdata[13:8]，XGPIFSGLDATLXL=gdata[7：0]；啟動GPIF FIFO讀傳輸?shù)拇a為：GPIFTRIG=GPIFTRIGRD｜GPIF_EP2。
2.2 驅動程序設計
    設備驅動程序的主要作用是使操作系統(tǒng)能夠識別USB設備，并建立起主機和設備之間的通信。USB驅動程序采用WDM驅動模型[6]，支持即插即用功能。在WDM驅動程序模型中，每個硬件設備至少有兩個驅動程序。其中一個驅動程序為功能驅動程序，即硬件設備驅動程序，它了解使硬件工作的所有細節(jié)，負責初始化I/O操作、處理I/O操作完成時所帶來的中斷事件，并為用戶提供一種設備適合的控制方式。另一個為總線驅動程序，由操作系統(tǒng)提供，它位于USB功能驅動程序的下面，負責管理硬件與計算機的連接。
    在Windows操作系統(tǒng)下，開發(fā)WDM驅動程序可以選擇DDK開發(fā)工具。主要有4個驅動例程：入口例程、即插即用例程、分發(fā)例程以及電源管理例程。
　入口例程，即DriverEntry例程，由操作系統(tǒng)的I/O管理器在設備驅動功能加載時進行調用,主要負責WDM驅動程序的初始化。
　即插即用例程實現(xiàn)USB設備的熱插拔和動態(tài)配置。當設備與計算機連接時，系統(tǒng)自動識別并調用其DriverEntry例程，自動選擇并加載合適的驅動程序。當設備從系統(tǒng)中移除時，自動處理相應的清除工作。其驅動例程主要有兩個：AddDevice例程和IRP_MJ_PNP例程。AddDevice例程用于完成設備的添加。IRP_MJ_PNP例程主要負責處理系統(tǒng)即插即用管理器發(fā)出的PnP信息，包括啟動設備、停止設備、刪除設備等。
　分發(fā)例程用于處理各種I/O請求，每個分發(fā)例程都對應一個Win32函數(shù)。常用的分發(fā)例程主要有IRP_MJ_CREATE例程和IRP_MJ_CLOSE例程。
　電源管理例程負責設備的掛起與喚醒。
2.3 應用程序設計
　上位機應用程序給用戶提供一個操作采集系統(tǒng)的界面，將采集到的數(shù)據(jù)以多種方式顯示給用戶，用戶也可以對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理。應用程序采用Visual C++集成開發(fā)環(huán)境，利用MFC編程，主要功能有：開啟和關閉USB設備、檢測USB設備、設置USB設備傳輸管道、設置數(shù)據(jù)采集端口、實時地從USB接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。應用程序流程圖如圖5所示。

   應用程序使用Win32的API函數(shù)CreateFile()來創(chuàng)建和打開設備，并返回該設備的句柄。當對設備進行讀取時，首先調用打開并獲得指定的USB設備的句柄，然后對指定管道進行復位，準備接收數(shù)據(jù)，然后啟動接收數(shù)據(jù)線程。應用程序通過使用標準的Win32 API函數(shù)DeviceIoControl()調用驅動程序中定義的宏代碼IO_PICUSB_
CTRL_READ來執(zhí)行這部分操作，而驅動程序與設備之間的通信中，DeviceIoControl()調用被轉化成一個帶有IRP_MJ_DEVICE_CONTROL功能代碼的IRP。關閉USB設備需調用CloseHandle()函數(shù), 其調用方式為CloseHandle(hDevice)，其中hDevice為在調用CreateFile()函數(shù)時返回的設備句柄。
3 試驗結果與分析
    圖6為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在批量傳輸下的應用程序界面。圖中曲線是對模擬語音信號采集生成的波形圖。實驗表明，該基于USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實現(xiàn)對語音信號的采集，傳輸速度能達到30 Mb/s，具有很強的抗干擾性，完全滿足設計和使用要求。在保存數(shù)據(jù)和退出應用程序前，應先停止采集。保存數(shù)據(jù)時，通過在“保存”欄中選擇對應的選項，就可以保存數(shù)據(jù)。

    本文所設計的基于USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有8路輸入14位分辨率的性能，可滿足語音處理、工業(yè)自動化及生物醫(yī)學工程中心電信號等領域中大多數(shù)場合的數(shù)據(jù)采集要求。不僅克服了傳統(tǒng)采集系統(tǒng)的缺陷，而且充分利用USB優(yōu)點，提高了傳輸速度，給用戶帶來許多方便。本文的創(chuàng)新點在于采用USB接口進行微處理器與上位機之間的通信，并結合CY7C68013特有的GPIF編程技術，有效提升了整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速率，在實際應用中取得了良好的效果。
參考文獻
[1]     肖忠祥.數(shù)據(jù)采集原理[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2001.
[2]     邊海龍.USB2.0設備的設計與開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2004.
[3]     錢峰.EZ-USB FX2單片機原理、編程及應用. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.
[4]     尹偉,婁淑琴.基于GPIF模式的USB接口電路的設計和實現(xiàn)[J].儀器儀表用戶,2008(2):61-62.
[5]     Cypress Semiconductor Corporation.EZ-USB FX2 technical  reference manual[Z].2001.
[6]     胡文靜,陳松.基于EZ-USB芯片CY7C68013的驅動程序設計[J].計算機應用研究,2005,22(9):221.