一种基于USB2.0与FPGA技术的高速数据采集系统的设计.doc

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1、一种基于USB2.0与FPGA技术的高速数据采集系统的设计袁江南（厦门理工学院电子与电气工程系福建厦门361005）摘要：介绍了一种基于USB2.0接口芯片ISP1581与FPGA技术的通用数据采集平台。系统采用TI的10位、20MSPS的TLC876高速A/D芯片，可以进行高速、低速采集的灵活配置，构建多种以PC机为界面的数据采集平台。PC端采集软件平台采用了多线程程序设计技术，提高了系统工作的稳定性。关键词：USB2.0，FPGA，数据采集，多线程USB接口是今后一段时间PC机与外设接口的主流。随着笔记本电脑的迅速普

2、及和更新，大部分已经不配置RS232接口，基于USB接口的高新能便携式数据采集系统将具有广阔的市场前景。本设计构建了一个基于USB接口的多功能通用数据采集，传输平台，将嵌入式系统的实时，灵活性和PC机强大的数据存储，处理，显示功能结合起来。在智能仪器仪表，测控系统，工控系统等领域有广阔的应用前景。1系统总体结构设计1.1系统总体结构如图1示，系统分为单片机与USB模块，FPGA模块，信号调理与A/D模块。其中单片机外围电路相对简单，整个系统主要通过PC机的程序界面控制动作。USB接口负责与PC机通信，FPGA模块负责完成

3、数据的采集与缓存。图1系统总体结构框图1.2单片机与USB接口模块本设计的目的是构建以PC为平台的系统，单片机的功能仅限于接收PC机的命令，控制FPGA工作。PC机作为整个系统的人机界面，控制整个数据采集系统进行采集、存储、处理。这样单片机可以选择低成本的8XC51系列。为了提高系统灵活性，采用单片机与USB接口芯片分离的方案，选择Philip公司的ISP1581USB2.0接口芯片。该芯片与8XC51系列单片机接口非常简单，可以极大降低系统的成本。1.3FPGA模块采用FPGA进行采样控制的最大特点是系统具有重构性和通

4、用性。设计中采用了Altera公司的低成本FPGA之Cyclone系列，实际试验时，在更便宜的Acex1k器件上也可以实现，控制高速A/D芯片以20MSPS的速度采样。FPGA设计中具体包括FIFO，单片机接口，A/D控制接口，DMA控制模块，主控制器等子模块。1.4PC端软件平台PC采集程序使用VC++实现。直接调用Philips公司提供的驱动程序进行数据读写，大大降低开发难度与风险。本设计中PC端软件设计包括应用程序的界面设计，多线程数据采集、存储与处理模块，以及与USB底层驱动程序的通信动态链接库。2USB接口模块

5、设计2.1USB接口芯片ISP1581具有体积小，高速，与单片机的接口相对简单等特点。除了控制端点外，拥有7个输入（IN）端点，7个输出（OUT）端点。每个端点可以灵活配置数据传输方式以及数据缓存区（FIFO）的大小，端点最大FIFO容量可以达2Kbytes。ISP1581在配置枚举时需要单片机固件的支持，一旦正确完成了配置和驱动加载，单片机对于ISP1581就如同普通存储器一般可以进行读写操作，以发送或接收数据。2.2固件编程USB通信完全由PC主机发起。在这种结构下，固件总是一直在等待主机命令再根据命令去执行相应的程

6、序。固件的基本思想是采用模块化设计。分成main.c等7个模块，main.c为主循环，isr.c主要负责中断处理，Chap9.c主要负责响应主机的请求。用户的应用程序将来也可以包括在main.c循环中。其结构如图2示。2.3单片机端程序设计单片机端程序主要包括初始化模块，外围FLASH、EEPROM、RAM、液晶显示器、按键等的读写控制模块。USB接口芯片固件模图2ISP1581固件结构块。A/D采样工作模式、速度、以及采样数据的读写的FPGA硬件控制模块等。本设计指导思想是充分利用PC机和嵌入式系统的优点，对MCU端的

7、要求是尽量简化。具体软件流程示意如图3示。USB作为一个通信接口，首先必须完成配置，然后才能进行用户数据的发送/接收。在循环中必须随时检查是否有主机的配置命令。配置枚举过程是USB固件编程当中较为复杂的部分，其流程如图4示。USB设备接入到主机并被主机识别后，主机首先以默认的地址（00H）发送一个设置（SETUP）包，新接入的设备必图3单片机软件流程示意图须接收此包并响应请求，然后主机会发送输入包读取设备描述符，初步判断设备的属性后，再设置设备的地址，随后再用这个地址读取设备的各种描述符以识别并且配置设备。可见，在设备配

8、置过程中，主机读取的数据较多，设备一旦接收到一个SETUP包之后便会判断主机的请求类型，然后进入请求处理循环等待主机的进一步命令，如果再次收到一个IN令牌便会向控制端点中写入数据，并且根据数据长度再次写端点直到数据发送完毕。USB的标准请求包括读取设备描述符，配置描述符，端点描述符，设置地址，配置设备等，厂商请求由用