具有USB2.0接口的高速数据采集卡设计

时间：2023-03-18 14:41:07 理工毕业论文我要投稿

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摘要：讨论基于USB接口的高速数据采集卡的设计与实现。详细讲述数据采集卡的硬件部分设计，并简要介绍固件程序、驱动程序和应用软件的设计。

引言

数据采集在现代工业生产及科学研究中的重要地位日益突出，并且实时高速数据采集的要求也不断提高。在信号测量、图像处理、音频信号处理等一些高速、高精度的测量中，都需要进行高速数据采集。现在通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，这些采集卡存在很多缺点，比如安装麻烦，价格昂贵，尤其是受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差。

通用串行总线USB是用来连接外围设备与计算机之间的新式标准接口总线。它是一种快速、双向、同步传输、廉价的并可以实现热拔插的串行接口。USB技术是为实现计算机和通信集成而提出的一种用于扩充PC体系结构的工业标准。基于USB接口的高速数据采集卡，充分利用了USB总线的优点，它也必将被越来越多的用户所接受。

1 USB数据采集卡原理

1.1 USB简介

USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它支持在主机与各式各样即插即用的外设之间进行数据传输。它由主机预定传输数据的标准协议，在总线上的各种设备分享USB总线带宽。当总线上的外设和主机在运行时，允许自由添加、设置、使用以及拆除一个或多个外设。USB总线技术的提出就是想利用单一的总线技术，来满足多种应用领域的需要。USB1.1协议支持两种传输速度，即低速1.5Mbps和高速12Mbps。为了在高速接口之争中占有一席之地，2000年发布了USB2.0协议，它向下兼容USB1.1协议，数据的最高传输速率提高到480Mbps，这就使USB对打印机和其它需要快速传递大容量数据的外设更具吸引力。

为了满足实际数据采集USB传输速度较高的需要，选择了Cypress公司的内置USB接口微控制器芯片EZUSB FX2系列，开发了具有USB接口的高速数据采集卡。

1.2 系统框图

USB系统是一个主从系统，而非对等（peer-to-peer）系统。在主从系统中，命令是由主设备发出，而从设备只能接收命令，只有在主设备读取数据时，从设备才能提交数据。如图1所示，在USB控制器与外围电路之间需要一个FIFO，来充当数据的缓存区。那么，在USB从设备向主设备发送数据时存在一个问题：FIFO多大才能满足要求。为了满足数据采集中高速实时流数据垢应用，避免FIFO溢出，在我们的系统中，通过FPGA及SDRAM构造一个容量的FIFO（图1虚线框内所示），可以提供一个低成本并能满足高速实时流数据传输的解决方案。

图2

2 USB数据采集卡硬件

2.1 EZ-USB FX2（CY7C68013）芯片

Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是最早符合USB2.0协议的微控制器之一，它集成了符合USB2.0协议的收发器（transceiver），串行接口引擎（SIE），增强型的8051内核以及可编程的外围接口。FX2系列芯片独特的结构使得数据传输速度最高可达56Mbps，最大限度地满足了USB2.0的带宽。

EZ-USB FX2的微处理器是一个增强型的8051内核，性能可达标准8051的5～10倍，并与标准8051的指令完全兼容。增强型的8051内核使用RAM世馘作程序指令和数据存储器，从而使得EZ-USB FX2具有“软”特性，也就是说，可以通过自行编写程序指令来实现所需的功能。EZ-USB FZ2使用增强型SIE/USB接口（称为USB核），通过执行USB部本身的协议来简化8051代码编写的工作。这样采用硬件完成USB塄，简化了固件代码的编制。对于固件代码的使用，主机通过软件下载的方法实现。这种方法充分利用FZ2内部的8KB RAM来装载8051代码和数据。由于EZ-USB FZ2具有重新枚举的能力，所以在初始化枚举时，用户并不需要断天设备就可以装载新的描述符。设备描述符和8051程序代码都能通过主机中的磁盘文件下载，只有制造商号、产品号和设备号从启动时从一个16字节的EEPROM下载到硬件中的。通过这种方式，可以比较容易地从主机升级软件和修改USB总线设备的固件代码。

EZ-USB FX2的通用可编程接口GPIF以及Master/Slave端点FIFO所对应的8/16位数据总线，可以很容易地实现FX2与当前一些主流通过接口（如ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和大部分DSP处理器）的互连。它共有7个端点，端点0，端点1和IN和OUT，还有端点2、4、6和8。其中，前3个端点的大小是固定的64字节，后4个端点默认大小是2级512字节的FIFO，端点2和端点4默认是OUT端点，端点6和端点8默认是IN端点，而端点2和6分别可以定义为2级、3级或4级的存储器，每级的大小也可以是512字节或1024字节。从EZ-USB FX2方向来看，一个端点相当于通过总线收发数据的缓冲区，EZ-USB FX2从OUT缓冲区中读取端点数据，将通过USB传的端点数据写入IN缓冲区。它求全责备速（12 Mbps）和高速（480 Mbps）传输速率，并具有USB协议所规定的4种传输方式，即控制方式（control mode）、中断传输方式（interrupt mode）、批量传输方式（bulk mode）和等时传输方式（isochronous mode）。

EZ-USB FX2系列是基于RAM的“软”结构，在开发过程中允许无限制设置和升级；它支持全速USB总线吞吐量的传输，使用EZ-USB FX2进行设计，可以不受端点数、缓冲区大小和传输速度的限制；此外，其内核中做了大量的辅助指令，简化了编码，同时也加快了对U

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