一種高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　0 引言

　　目前USB 已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，現(xiàn)階段使用較多的是USB 2.0 規(guī)范。隨著測(cè)試測(cè)量要求的不斷提高，USB 2.0 已逐漸難以滿足要求。新的USB3.0 規(guī)范很好的解決了USB 2.0 中存在的一些局限，非常適用于現(xiàn)代測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。

　　1 USB 2.0 的性能與局限

　　通用串行總線USB（Universal Serial Bus）是目前應(yīng)用極為廣泛的一種系統(tǒng)總線，大量應(yīng)用在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域。目前應(yīng)用最廣泛的是USB2.0 標(biāo)準(zhǔn)，具有最高480Mbps 的通信速率。但同時(shí)USB2.0 標(biāo)準(zhǔn)也存在著以下不足：

　　1） 半雙工通信

　　USB2.0 采用半雙工通信，同一時(shí)間只能有一個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸，在需要雙向高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊贤y以滿足要求。

　　2） 需要主機(jī)調(diào)度

　　USB2.0 標(biāo)準(zhǔn)在傳輸調(diào)度上采用主從結(jié)構(gòu)，需要計(jì)算機(jī)首先發(fā)起IN Token 或OUT Token，USB 設(shè)備才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一次數(shù)據(jù)傳輸完成后，又必須等待下一個(gè)Token，大大制約了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

　　3） 通信速率相比于競爭對(duì)手不高

　　USB 的競爭對(duì)手有1394 和eSATA 等，較新的1394b 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到了800Mbps，幾乎比USB2.0 HS 高一倍。而eSATA的數(shù)據(jù)傳輸速度更高。

　　2 USB 3.0 SS（SuperSpeed）標(biāo)準(zhǔn)簡介

　　為了加強(qiáng)USB 的性能和競爭力，USB 聯(lián)盟推出了新的USB 3.0SS（SuperSpeed）標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)使用兩條差分鏈路實(shí)現(xiàn)了全雙工通訊，速率達(dá)到了5.0Gps，不但高于1394b 標(biāo)準(zhǔn)，與eSATA 相比也同樣具有競爭力。

　　USB3.0 在2.0 的基礎(chǔ)上新增加了2 對(duì)差分鏈路，專門用于傳送SS 差分信號(hào)。主機(jī)側(cè)接口的機(jī)械特性和USB 2.0 兼容，而設(shè)備側(cè)使用了新的接口形式，以容納新增的兩對(duì)差分信號(hào)線。USB2.0 接口的B 型連接器可以插入U(xiǎn)SB 3.0 的設(shè)備端，此時(shí)設(shè)備工作于USB 2.0 模式下；但USB 3.0 的B 型連接器無法插入U(xiǎn)SB 2.0的設(shè)備端。

　　除此以外，USB 3.0 的總線供電能力達(dá)到1A，使其可以用于移動(dòng)硬盤等耗電量較大的設(shè)備，而不必另外配備外接電源。

　　3 CYUSB3014 芯片介紹

　　CYUSB3014 是USB 業(yè)界的領(lǐng)頭羊Cypress 公司出品的USB3.0 控制器，該款控制器集成了200MHz 的ARM9 控制器、512K 字節(jié)的RAM和USB 3.0物理層，具有可編程的100MHz GPIF II接口。

　　圖1 是該芯片的邏輯框圖。該芯片可用于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)據(jù)采集、測(cè)試測(cè)量設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。

　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中，使用了一片AD6644 作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。這是AnalogDevice 公司生產(chǎn)的14 位高速ADC，最高采樣速率達(dá)到40Msps.

　　整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖如圖2 所示。

　　圖中，傳感器將外部信號(hào)變換為電信號(hào)；放大濾波部分將傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，以去除外部干擾；AD6644 在FPGA 的控制下對(duì)放大濾波后的信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換；FPGA 讀取AD 輸出，并按照CYUSB3014 的GPIF II 接口規(guī)范將該數(shù)據(jù)寫入芯片內(nèi)部的FIFO.此外，F(xiàn)PGA 還可以根據(jù)當(dāng)前信號(hào)特性調(diào)整放大濾波電路參數(shù)，以獲取更優(yōu)的信噪比。