基于CY7C68013和MAX115芯片實(shí)現(xiàn)高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用方案

作者：周云鋒，孫書鷹，王宏

USB（Universal Serial Bus）總線是INTEL、NEC、MICROSOFT、IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線接口規(guī)范。為了適應(yīng)高速傳輸?shù)男枰?000年4月，這些公司在原1.1協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂了USB2.0傳輸協(xié)議，已超過了目前IEEE1394接口400Mbps的傳輸速度，達(dá)到了480Mbps。USB總線使用簡單，支持即插即用PnP（Plug And Play），一臺(tái)主機(jī)可串連127個(gè)USB設(shè)備。設(shè)備與主機(jī)之間通過輕便、柔性好的USB線纜連接，最長可達(dá)5m，使設(shè)備具有移動(dòng)性，可自由掛接在具有USB接口的運(yùn)行在Windows98/NT平臺(tái)的PC機(jī)上。USB總線已被越來越多的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和用戶自定義外設(shè)所使用，如鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀、音箱等。

結(jié)合設(shè)備檢測中數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了該高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)最多可四路同步采樣，單通道采樣速度可達(dá)620ksps，四通道同時(shí)采樣速度可達(dá)180ksps。USB接口控制芯片采用Cypress公司FX2系列中的CY7C68013，通過對(duì)其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部FIFO的有效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采樣和傳輸。

1 基本原理

該采集系統(tǒng)總體框架分三部分：主機(jī)（能支持USB2.0協(xié)議的PC機(jī)）、內(nèi)部包含CPU及高速緩存的USB接口控制芯片（CY7C68013）和高速同步采樣芯片（MAX115），如圖1所示。其數(shù)據(jù)傳輸分兩部分：控制信號(hào)傳輸和采集數(shù)據(jù)傳輸?？刂菩盘?hào)方向?yàn)橛芍鳈C(jī)到外設(shè)，由外設(shè)CPU控制，數(shù)據(jù)量較小;采集到的數(shù)據(jù)由外設(shè)到主機(jī)，數(shù)據(jù)量較大。為了保證較高的傳輸速度，不經(jīng)過CPU。系統(tǒng)基本操作過程為：主機(jī)給外設(shè)一個(gè)采樣控制信號(hào)，F(xiàn)X2根據(jù)該信號(hào)向A/D轉(zhuǎn)換器送出相應(yīng)控制信號(hào)，即采樣模式控制字;之后由A/D轉(zhuǎn)換器自主控制轉(zhuǎn)換，并將各通道采樣數(shù)據(jù)存入其片內(nèi)緩存。一旦轉(zhuǎn)換完成，由A/D的完成位向FX2的可編程控制接口發(fā)讀采樣結(jié)果信號(hào);然后由可編程接口的控制邏輯依次將各通道采樣結(jié)果從A/D的緩存讀入FX2的內(nèi)部FIFO。當(dāng)FIFO容量達(dá)到指定程度后，自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包傳送給USB總線。期間所有操作不需要CPU的干預(yù)。采樣過程中接口控制邏輯依次取走批量數(shù)據(jù)，在打包傳送時(shí)A/D仍持續(xù)轉(zhuǎn)換，內(nèi)部FIFO也持續(xù)寫入轉(zhuǎn)換結(jié)果。只要內(nèi)部FIFO寫指針和讀指針位置相差達(dá)到指定的值就立即取走數(shù)據(jù)。從而保證了同步連續(xù)高速采集的可靠性。

2 硬件部分

2.1 芯片介紹

CY7C68013屬于Cypress公司的FX2系列產(chǎn)品，它提供了對(duì)USB2.0的完整解決方案。該芯片包括帶8KB片內(nèi)RAM的高速CPU、16位并行地址總線+8位數(shù)據(jù)總線、I2C總線、4KB FIFO存儲(chǔ)器以及通用可編程接口（GPIF）、串行接口引擎（SIE）和USB2.0收發(fā)器。在代碼的編寫上，與8051系列單片機(jī)兼容，且速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的3～5倍。

CY7C68013與外設(shè)有兩種接口方式：可編程接口GPIF和Slave FIFOs。

可編程接口GPIF是主機(jī)方式，可以由軟件設(shè)置讀寫控制波形，靈活性很大，幾乎可以對(duì)任何8/16 bit接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫，使用非常靈活。Slave FIFOs方式是從機(jī)方式，外部控制器可象對(duì)普通FIFO一樣對(duì)FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫。FX2的Slave FIFOs工作方式可設(shè)為同步或異步;工作時(shí)鐘為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入可選;其它控制信號(hào)也可靈活地設(shè)置為高有效或低有效。筆者在設(shè)計(jì)中采用主機(jī)方式。

MAX115是美信公司的高速多通道同步采樣芯片。含有兩組4路同步通道，共8個(gè)輸入端。采樣精度為12位，采樣模式由采樣控制字決定，可靈活地在兩組中的1～4個(gè)通道間選擇。采樣時(shí)，各通道轉(zhuǎn)換結(jié)果先存入其內(nèi)部相對(duì)應(yīng)的4個(gè)12bit存儲(chǔ)單元，各通道都轉(zhuǎn)換完后再一起取走。

2.2 電路原理及設(shè)計(jì)

考慮CY7C68013與MAX115接口時(shí)，采樣模式不同，控制波形有所差別，筆者選擇主機(jī)方式即可編程控制接口（GPIF）。

GPIF是FX2端點(diǎn)FIFO的內(nèi)部控制器。在這種方式下，接口內(nèi)核可產(chǎn)生6個(gè)控制輸出端（CTL0～CTL5）和9根線的地址（GADR［8:0］）輸出，同時(shí)可以接收6個(gè)外部輸入（RDY0～RDY5）和2個(gè)內(nèi)部輸入。FX2有4個(gè)波形描述符控制各個(gè)狀態(tài)。這些波形描述符可以動(dòng)態(tài)地配置給任何一個(gè)端點(diǎn)FIFO。例如，一個(gè)波形描述符可以配置為寫FIFO，而另一個(gè)配置為讀FIFO。FX2的固件程序可以把這些描述符配置給四個(gè)FIFO中的任意一個(gè)，配置后，GPIF將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯和握手信號(hào)給外界接口，滿足向FIFO讀寫數(shù)據(jù)的需要。GPIF的數(shù)據(jù)總線既可以是單字節(jié)寬（8位FD［7:0］）也可以是雙字節(jié)寬（16位FD［15:0］）。每個(gè)波形描述符包含了S0～S6 七個(gè)有效狀態(tài)和一個(gè)空閑狀態(tài)。在每個(gè)有效狀態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間段里，經(jīng)過預(yù)先設(shè)置，GPIF可以做以下幾件事情：（1）驅(qū)動(dòng)（使為高或低）或懸浮6個(gè)輸出控制端;（2）采樣或驅(qū)動(dòng)FIFO的數(shù)據(jù)總線;（3）增加GPIF地址總線的值;（4）增加指向當(dāng)前FIFO指針的值;（5）啟動(dòng)GPFIWF（波形描述符）中斷。除此之外，在每個(gè)狀態(tài)，GPIF可以對(duì)以下幾個(gè)信號(hào)中任意兩個(gè)進(jìn)行采樣，它們是：（1）RDYX輸入端;（2）FIFO狀態(tài)標(biāo)志位;（3）內(nèi)部RDY標(biāo)志位;（4）傳輸計(jì)數(shù)中止標(biāo)志位。把其中兩個(gè)信號(hào)相與、相或或者相異或，根據(jù)結(jié)果跳轉(zhuǎn)到其它任意一個(gè)狀態(tài)或延遲1～256個(gè)IFCLK時(shí)鐘周期。當(dāng)然也可以根據(jù)輸入端的信號(hào)進(jìn)行跳轉(zhuǎn)或延遲。GPIF波形描述符通常用Cepress公司的GPIF工具（GPIFTOOL）進(jìn)行配置。它是一個(gè)可運(yùn)行于Windows平臺(tái)的應(yīng)用程序，與FX2的開發(fā)包一起發(fā)布。

在這種方式下，所有的讀寫及控制邏輯通過CY7C68013 的GPIF以軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)，且控制邏輯的變換方便靈活（只需要改變接口的一個(gè)配置寄存器的值）。電路連接如圖2所示。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只用到了兩個(gè)輸出控制CTL0、CTL1和一個(gè)外部輸入RDY0，它們分別接MAX115的CONVST#、WR#和INT#。數(shù)據(jù)總線用雙字節(jié)，其中FD0～FD11接MAX115的數(shù)據(jù)輸入端D0～D11，F(xiàn)D12和FD13接控制字輸入端的A2和A3，F(xiàn)D0和FD1復(fù)用做控制字輸入端的A0和A1。MAX115的采樣基準(zhǔn)時(shí)鐘由FX2的輸出時(shí)鐘經(jīng)三分頻得到，為16MHz。對(duì)應(yīng)四種數(shù)據(jù)傳輸方式（八種不同的采樣模式），GPIF的控制及握手信號(hào)波形有所不同。四通道同步采樣的時(shí)序圖如圖3所示。

在第一個(gè)判決點(diǎn)，若采樣數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備就緒，MAX115傳給GPIF一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)RDY0;根據(jù)此信號(hào)，波形按順序轉(zhuǎn)入2、3、4、5狀態(tài)，使指向內(nèi)部FIFO的指針在每個(gè)時(shí)鐘上升沿加1，依次讀取四個(gè)數(shù)據(jù)，取完數(shù)據(jù)后利用CTL0的上升沿啟動(dòng)下一次采樣。若在狀態(tài)1時(shí)沒有出現(xiàn)負(fù)脈沖，則直接跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)6，之后重復(fù)執(zhí)行此波形描述符。

三通道同步采樣時(shí)，讀取數(shù)據(jù)的狀態(tài)只需要持續(xù)三次。其它采樣模式控制波形的設(shè)計(jì)依此類推。

2.3 固件程序設(shè)計(jì)

固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備CPU中的程序。只有在該程序運(yùn)行時(shí)，外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備。固件程序負(fù)責(zé)初始化各硬件單元，重新配置設(shè)備及A/D采樣控制。固件代碼的存儲(chǔ)位置有三種：第一種是存在主機(jī)中，設(shè)備加電后由驅(qū)動(dòng)程序把固件下載到片內(nèi)RAM后執(zhí)行，即“重新枚舉”;第二種方法是把固件代碼固化到一片EEPROM中，外設(shè)加電后由FX2通過I2C總線下載到片內(nèi)RAM后自動(dòng)執(zhí)行;最后一種方法是把程序固化到一片ROM中，使之充當(dāng)外部程序存儲(chǔ)器，連在FX2三總線上。筆者選用第一種方式，這種方式便于系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)。固件程序框圖如圖4所示。

3 用戶程序和驅(qū)動(dòng)程序

3.1 驅(qū)動(dòng)程序的編寫

該系統(tǒng)需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，即通用驅(qū)動(dòng)和下載固件的驅(qū)動(dòng)。通用驅(qū)動(dòng)完成與外設(shè)和用戶程序的通信及控制;而下載固件的驅(qū)動(dòng)則只負(fù)責(zé)在外設(shè)連接USB總線后把特定的固件程序下載到FX2的RAM中，使FX2的CPU重啟，模擬斷開與USB總線的連接，完成對(duì)外設(shè)的重新設(shè)置。主機(jī)根據(jù)新的設(shè)置安裝通用驅(qū)動(dòng)程序，重新枚舉外設(shè)為一個(gè)新的USB設(shè)備。

通用驅(qū)動(dòng)程序一般不需要重新編寫，用Cypress公司已經(jīng)編好的驅(qū)動(dòng)ezusb.sys;而下載固件的驅(qū)動(dòng)則必須定做，其詳細(xì)操作過程見參考文獻(xiàn)［2］。

3.2 用戶程序的編寫

用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，它通過通用驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)外設(shè)的控制和通信。在編寫用戶程序時(shí)，首先要建立與外設(shè)的連接，然后才能實(shí)施數(shù)據(jù)的傳輸。啟動(dòng)采樣后，為了保證不丟失數(shù)據(jù)，用戶程序應(yīng)該建立一個(gè)新的工作線程專門獲取外設(shè)傳來的數(shù)據(jù)。程序中主要用到兩個(gè)API函數(shù)：CreateFile（）和DeviceIoControl （）。CreateFile（）取得設(shè)備句柄后，DeviceIoControl （）根據(jù)該句柄完成數(shù)據(jù)傳輸。程序代碼簡要如下：

hDevice = CreateFile（″\\\\。\\EZUSB-0″）

GENERIC_READ | GENERIC_WRITE，

FILE_SHARE_WRITE，

NULL，

OPEN_EXISTING，

FILE_ATTRIBUTE_NORMAL，

NULL）;

If （hDevice == INVALID_HANDLE_VALUE）

{

Application-》MessageBoxA（“無法創(chuàng)建設(shè)備，請(qǐng)確認(rèn)設(shè)備是否連上！”，NULL，IDOK）;

}

else

{

DeviceIoControl （

hDevice，

IOCTL_EZUSB_BULK_WRITE，

&blkctl，

sizeof（BULK_TRANSFER_CONTROL），

&inBuffer， //定義的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

sizeof（inBuffer），

&nBytes，

NULL）;

……

}

程序框圖如圖5所示。

在該高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，CY7C68013芯片靈活的接口和可編程特性簡化了外部硬件的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，也利于PCB板的制作與調(diào)試。另外，USB設(shè)備的可熱插拔特性使得該系統(tǒng)具有便攜式的特點(diǎn)，使用方便，無需關(guān)機(jī)重啟或打開機(jī)箱進(jìn)行安裝。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某型。

責(zé)任編輯：gt