基于USB的便携式数据采集系统设计_硕士学位论文.doc

硕士学位论文硕士学位论文 基于基于 usb 的便携式数据采集系统设计的便携式数据采集系统设计 摘要 i 论文题目：基于论文题目：基于 usb 的便携式数据采集系统设计的便携式数据采集系统设计 学科名称：电话与系统学科名称：电话与系统 摘摘 要要 传统的数据采集卡普遍采用pci、isa等标准接口，基于这些标准接口的采集卡有不 便于携带、安装复杂、可扩展性差等问题，它已不能满足科研和生产的实际需要。通用 串行接口usb作为一种新型的串口通信标准，具有传输速率高、可扩展性好、即插即用、 使用灵活等特性，很好的弥补了传统采集卡接口的缺陷。本文结合usb的传输优势和 fpga 的高效性能，设计了一种基于usb的便携式数据采集系统。 文中首先简单的对usb总线的特点以其相应的体系结构进行了介绍，然后对硬件电 路、软件程序以及系统测试几个方面进行了深入论述。 在硬件设计方面：选用的系统硬件主要由模数转换模块、fpga主控制器模块、 usb接口模块以及电源模块构成；根据系统要实现的功能以及芯片的工作方式完成了电 路的连接，同时完成了系统的原理图设计和pcb图的绘制。 在软件设计方面：根据系统的设计要求，重点研究了三部分内容：fpga控制程序、 usb固件程序以及客户端应用程序。同时详细介绍了各部分软件的具体设计思想，并给 出了相应的程序流程图与调试结果。 最后，结合硬件和软件对整个系统进行了最终测试，并给出了测试结果和分析。结 果表明：该数据采集系统的功能符合设计要求，能够满足一般工业现场对数据采集系统 便携性、低功耗以及对数据传输速度要求较高的任务需求。 关键词关键词：数据采集；usb2.0；fpga；固件程序；应用程序 西安理工大学硕士学位论文 ii title: portable data acquisition system design based on usb major：circuits and systems name： wenhua he signature: supervisor：prof. shuiyu wang signature: abstract traditional data acquisition card is commonly used standard interfaces such as pci 、isa，but the acquisition card is not easy to carry, install and expand. so it can not meet the actual needs of the research and production.the universal serial interfaces usb as a new standard of serial communication, it has a high transmission rate, good scalability .at the same time,it is easy to plug and play, variety in use. so it is compensated for the defects of traditional capture card interface. in this paper, along with the efficient performance of the transmission advantage of the usb and fpga, a portable data acquisition system based on usb2.0 have designed and implemented .the paper first briefly describes the architecture and features of the usb bus, then conducted in-depth discussion on aspects of the hardware circuit, software programs, and system testing. in the hardware：we mainly completed ad converter circuit design, fpga host controller peripheral circuit design,the usb interface circuit design and the power module design. the connection between each part of the chip operating modes and systems to achieve the function. complete system schematic design and pcb diagram of the hardware circuit system, in the software：according to the design requirements, we focus on the three sections: the fpga control-program design, usb firmware design and client application program design.at the time,describeing in detail the various parts of the software design ideas.we also give the corresponding program flowchart and debugging results. at last ,combination of hardware and software , testing the entire systemis was tested and 摘要 iii the test results and analysis were gived. the results showed that the data acquisition system can meet the design requirements which the general industrial field data acquisition system portability, low power consumption and higher data transfer speeds . key words: data acquisition; usb2.0; firmware; application 目录 i 目目 录录 1 绪论 1 1.1 研究背景与意义 .1 1.2 国内外研究现状与趋势 1 1.3 本文研究的主要内容 2 2 usb 简介3 2.1 usb 总线的特点.3 2.2 usb 总线结构.3 2.3 usb 设备的开发流程.5 3 系统总体设计 .7 3.1 系统的性能指标 7 3.2 系统方案的确定 7 3.3 硬件构成 8 3.4 软件构成 9 4 系统硬件电路的设计与实现 .11 4.1 fpga.11 4.1.1 fpga 简介.11 4.1.2 fpga 芯片的选择.12 4.2 ad 转换器的选择.13 4.3 usb 接口芯片的选择.15 4.3.1 cy7c68013a 芯片结构15 4.3.2 cy7c68013a 的端点缓冲区16 4.3.3 cy7c68013a 的接口模式17 4.4 ad 电路设计.18 4.4.1 接口的电平转换 18 4.4.2 tlc5510 外围电路设计19 4.5 usb 电路设计.19 4.5.1 usb 与 fpga 的接口电路 .20 4.5.2 usb 的外围电路21 4.6 fpga 外围电路设计22 4.6.1 时钟电路及复位电路 22 4.6.2fpga 下载配置与调试接口电路设计23 4.7 电源电路的设计 24 4.8 抗干扰和 pcb 设计.26 5 系统软件设计 .27 5.1 fpga 逻辑设计27 5.1.1 adc 控制模块设计.28 5.1.2 fifo 在 fpga 中的应用 30 5.1.3 时钟与分频模块设计 .32 5.1.4 usb 控制模块33 5.1.5 fpga 总体控制逻辑设计.35 5.2 驱动程序 36 5.2.1 驱动程序简介 .36 5.2.2 驱动程序的安装 .37 5.3 固件程序 38 西安理工大学硕士学位论文 ii 5.3.1 固件功能 .38 5.3.2 固件基础 .39 5.3.3 固件程序的设计 .41 5.3.4 固件程序的实现 .47 5.4 用户程序的编写 49 5.4.1 应用程序和 usb 设备的通信49 5.4.2 用户界面程序 .50 6 测试 .53 6.1 fpga 与 usb 的通信测试 53 6.2 usb 设备速率测试 54 6.3 系统功能测试 .55 6.3.1 usb 设备的识别55 6.3.2 数据的采集 .56 7 主要研究工作总结与展望 .59 7.1 总结 59 7.2 展望 59 致 谢 .61 参考文献 .62 攻读硕士学位期间取得的研究成果 .64 符录电路原理图 .65 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景与意义 数据采集系统是指对各种传感器输出的模拟信号进行采集，通过ad转换器将模拟信 号转换成数字信号，然后把数字信号送入计算机进行处理，并按需要的形式输出处理结 果的系统。伴随着科学技术飞速的发展，数据采集系统作为获取信息的重要途径以及探 索科学奥秘的重要手段已广泛应用于各个领域。 目前常用的数据采集方式主要是将基于isa或pci的数据采集板卡安装在工业控制机 或者pc机内。但是这种数据采集方式有很多的缺陷：(1)插拔困难、安装复杂、价格比较 贵，并且计算机的插槽数量、地址、中断资源也限制了采集卡的扩展性；(2)数据采集卡 被安装在工业控制机或者pc机内部，不便于携带，因此无法进行野外现场的数据采集 【1】 。 通用串行总线(universal serial bus) usb作为目前最重要的计算机外设互联接口，它 具有即插即用、传输速率高、且易于扩展的优点。并且，在一般情况下usb主机上可以 提供稳定的5v电压，这样usb外部设备可以通过相应电缆获得主机提供的电压。具有 usb接口的数据采集卡就可以通过usb电缆获得稳定可靠的工作电源。usb作为新型的 接口更容易满足复杂、灵活的设计和电路的微型化的要求。因此，usb总线代替传统的 isa或pci总线用于数据采集系统，可以满足人们对数据采集系统的便捷性、高速性、扩 展性和通用性的要求。 1.2 国内外研究现状与趋势 计算机具有良好的扩展性，依赖于其具备的多种通信接口。rs232、并行接口、pci 等老式计算机接口存在规范不统一、体积庞大、可扩展性差、不支持热插拔等缺陷。随 着技术的发展和计算机应用的需要，老式接口的缺陷越来越制约计算机的使用。因此， usb作为一种新的计算机接口应运而生。ibm、microsoft等7家公司在1994年11月时就共 同提出了usb规范。但在随后的几年时间里，usb2.0规范迟迟没有问世，直到2000年底 才尘埃落定。这时候的usb2.0同时支持三种传输速度，其最高传输速率可以达到 480mbps【2】。直到2008年11月26日，usb促进委员会才正式宣布新一代usb3.0接口规范 已经制定完全，usb3.0接口最高传输速度将高达5.0gbps，相比较usb2.0的传输速度， 可谓是向前迈了一大步。 如今随着集成电路的飞速发展和usb设备开发的进步，各种集成有usb控制器的芯 片相继问世。这些产品中大都集成了功能强大的处理器，显然提高了数据传输的稳定性 西安理工大学硕士学位论文 2 和传输速度，同时在一定程度上降低了开发难度。到目前为止，基于usb接口的产品种 类繁多，从低运行速度的鼠标、键盘到全速的mp3、移动硬盘、数码相机以及高速的数 据采集卡等。我们注意到usb接口因其即插即用、可兼容性以及可扩展性等优点得到了 极其广泛的应用，它己经成功的应用到了信息产业、家电产业和网络产业等，特别是在 数据采集方面的应用尤为突出。当下，许多能够适应不同传输速率，不同深广度要求的 usb数据采集系列产品已经琳琅满目。ni公司研制的一系列usb数据采集卡可以说是其 中的代表，但是ni公司的usb数据采集卡产品的价格普遍偏高，因此对于国内的大多数 用户来说显然无法承受这样昂贵的价格。相比于国外，国内对usb数据采集产品的研发 相对落后，但总体来看，现在国内的一些厂家对usb接口的数据采集产品的开发和研制 已经取得了一定的成果，其研究产品的种类也越来越繁多，但是范围和研发的深度存在 着不小的差距，主要表现在下面的几个方面：采用usb1.1协议的产品较多，而采用 usb2.0较少；采集系统功能过于简单，同时在采集速率、精度以及分辨率上和国外还存 在相当大的差距。 现阶段随着usb协议的不断完善，对比其他采集系统，usb数据采集系统接口的性 能会有其他产品无法媲美的优势，它会得到越来越广泛的应用。所以说对usb数据采集 系统做更为深入的开发也显得尤为重要。 1.3 本文研究的主要内容 本文在分析usb总线的体系结构和特点基础上，确定了一种基于usb的便携式数据 采集系统的方案。在该方案中，系统选用fpga作为硬件电路的主控制器。对于输入的 模拟信号，经模数转换后，在fpga的控制下传输给usb，然后再通过usb控制接口将数 字信号传输到上位机。用户可以通过上位机界面程序实现数据的读取、存储以及采集控 制等功能。 本文研究的主要内容有： 分析了usb总线特点、系统的组成结构以及开发流程等； 设计了数据采集系统的硬件电路，同时完成了模数转换器和fpga的连接，fpga 与usb的连接，以及fpga外围电路的设计；在要求各个元器件对电源电压的相适应的 条件下，设计提供了相匹配的电源系统；完成了系统原理图设计和pcb图的绘制； 利用硬件描述语言veriloghdl，编写了基于fpga内部逻辑控制模块，完成了对 ad采样的控制，以及对usb数据传输的控制； 分析了usb接口电路的固件程序开发步骤，并用c51语言开发了usb接口设备的 固件程序，实现了usb在slave fifo模式下进行数据传输的功能； 编写了上位机的应用程序，完成了数据的读取与显示； 最后结合硬件和软件对整个系统进行了最终测试，并给出了测试大量有益结果与 绪论 3 分析。 西安理工大学硕士学位论文 4 2 usb 简介简介 2.1 usb 总线的特点 usb 是英文 universal serial bus（通用串行总线）的缩写，用来统一电脑与外部设 备的连接和通讯，是一种新的计算机接口技术。usb 总线接口与传统的计算机接口相比， 具有以下明显的优点： 接口体积小巧，具有很相当大的体积优势，在目前计算机和集成化的趋势中，得 到了广泛的应用； 能够适应低速、全速和高速的传输速率操作； 为适应不同外部设备对于不同功能的需要，它提供了 4 种不同类型的传输； 即插即用是它基本功能之一，对于 usb 设备来说，只要安装了与之适应的驱动程 序，它就可以工作； usb 接口具有外部供电能力，计算机上的 usb 接口最大可以输出 500ma 的电流， 5v 的电压，满足大多数微处理系统对电源的要求； 具有良好的兼容性，随着技术的发展，usb 规范包括 usb1.0、usb1.1、usb2.0，以及无线 usb 和 usbotg 等多个版本，并且 usb 规范都 具有良好的向下兼容性； 性价比高，目前，随着技术的发展和 usb 设备的普及，usb 的芯片以及 usb 电 缆的价格都已十分低廉，usb 接口的性价比日益提高。 2.2 usb 总线结构 usb 主机、usb 设备和 usb 电缆组成一个简单的 usb 应用系统，如图 2-1 所示。 usb 系统中最重要的就是 usb 主机和 usb 设备。总体来说，用户的特定功能是由 usb 设备完成而 usb 协议的处理则是由 usb 主机负责的。对于 usb 主机与其设备之间的通 信，包含上行通信和下行通信。前者主要用于 usb 设备向 usb 主机传输数据，后者则 主要用于 usb 主机向 usb 设备传输数据。 系统总体设计 5 usb设备 usb主 机 上行通信 下行通信 图2-1 简单的usb系统 figure2-1 simple usb system （1）usb 主机 广义上讲，具有 usb 端口的计算机以及其他具有 usb 主控芯片的设备都可以称为 usb 主机。usb 主机在整个数据通信过程中有着相当重要的地位，它控制着数据的启动 和命令的传输，而 usb 设备只有被动的响应 usb 主机请求。usb 系统中不能有多个 usb 主机同时存在，如果有多个主机就会引起系统混乱。鉴于此种情况 usb 协议明确 规定：usb 系统中只能有一个 usb 主机存在。 （2）usb 设备 伴随着 usb 接口的飞速发展，usb 设备种类越来越丰富，主要包括 usb 功能设备 和 usb 集线器两种类型。usb 功能设备一般是一个独立的外部设备，例如有用于扩 展 usb 主机功能的 usb 鼠标，以及用来进行数据传输的移动硬盘或者 usb 数据采集系 统等。usb 功能设备连接到 usb 主机后，主机需对其进行配置设置，这样 usb 功能设 备才可以使用。usb 集线器的功能主要是提供额外的连接点给 usb 主机系统，从而 扩展 usb 主机的端口，那样的话使一个 usb 端口可以扩展连接多个设备。usb 设备与 其主机的连接主要包括 usb 主机与集线器的上行端口连接以及 usb 设备与集线器的下 行端口连接。同时我们必须注意到 usb 集线器的级联是有限制的，它最多可以级联 5 级。 （3）usb 的连接 usb 连接器有两种：a 型和 b 型，a 型插座与 a 型插头匹配，b 型插座与 b 型插 头匹配。a 型插座主要用在 usb 主机或者 usb 集线器下行端口，而对 b 型插座来讲， 它则主要用在 usb 设备或集线器的上行端口。当然无论 a 型还是 b 型的 usb 接头，它 们均有 4 根引线：vcc、gnd、d+ 、d-，分别对应 usb 电缆的 4 根导线。usb 主机通 过 vcc和 gnd 这两个引线向 usb 设备供电；通过 d+ 、d- 差分数据线向 usb 设备传 输数据。典型 usb 接头如图 2-2 所示。 西安理工大学硕士学位论文 6 图2-2 usb接头 figure2-2 usb connector usb 电缆将 usb 主机、usb 集线器以及 usb 设备连接起来，形成一个完整的 usb 系统。但是，对于 usb 的不同传输模式会用到不同特性的电缆。 2.3 usb 设备的开发流程 usb 设备的开发流程简单介绍如下： （1）分析功能。主要分析 usb 设备需要实现的所有功能，以及每个功能采用的实 现方式、数据传输类型和速率、所需要的硬件资源等。 （2）选择 usb 接口芯片。在明确了 usb 设备的功能要求后，我们就要选择一款合 适的 usb 接口芯片。需要强调的是选择芯片需要考虑很多因素，比如芯片内部资源、芯 片管脚数目、芯片封装形式、兼容性，同时价格也是必须考虑的。 （3）usb 软硬件开发。在选择了合适的芯片后，我们就可以进行软硬件开发了。 软件开发则主要包括设计 usb 芯片固件程序、驱动程序和用户界面程序等；而硬件开发 主要包括设备功能组件、硬件接口、资源分配等。 （4）设备综合调试。当 usb 设备的主要功能设计完成了，但为了完整和完善设备 的整体功能，还需要对整个软硬件系统进行综合调试。 西安理工大学硕士学位论文 8 系统总体设计 9 3 系统总体设计系统总体设计 3.1 系统的性能指标 输入通道：单通道； 测量对象：工业现场各类传感器的输出电压； 电压范围：0.6v2.6v； 频率范围：1hz400khz； 采样分辨力：8位； 最大采样速率：2msps； 数据传输接口：usb2.0接口； fpga缓存深度：1024，位宽8bits； 系统电源：模拟电压+5v、3.3v、1.5v和5v数字电压； 用户程序：要能读取usb的配置描述符，采集的控制以及数据的显示、存储等功能； 供电方式：usb接口供电或外接电源可选，供电电压为+5.0v； “便携式”应是本系统的最大特色，特别是在数据采集系统的硬件设计时应充分考虑 集成度、体积、功耗等问题。 3.2 系统方案的确定 基于usb接口的数据采集系统典型框架如图3-1所示。 ad转换 芯片 控制器 usb接口 芯片 pc机 模拟 输入 usb 电缆 图3-1 usb数据采集系统典型框架 figure3-1 typical framework of the usb data acquisition system 现有的数据采集卡常用单片机或dsp作为控制器。单片机的时钟频率比较低，需要 软件支持来实现其功能，然而软件的运行时间比较长，就会成为采样速率的一个阻碍。 相比而言采用dsp作为控制器的采集卡其运算速度较快而且擅长处理密集的乘加运算， 但是它很难完成对外围复杂硬件进行逻辑控制。既然采用单片机或dsp作为控制器的数 据采集卡有很大的缺陷，那么就应该寻找速度更快，能更好的对外围硬件进行逻辑控制 的控制器。fpga作为新一代的控制器就能很好的弥补传统控制器的缺陷。fpga不仅可 以使电子系统小型化、低功耗、高稳定性，还能让开发周期缩短、电路板面积缩小、开 西安理工大学硕士学位论文 10 发软件投入少、成本不断降低等【4-5】。正是因为fpga具有很多优点，所以促使fpga越 来越多的取代其他专用集成电路市场。因此本文中选用fpga作为数据采集系统的控制 器，它可以代替许多传统的逻辑电路，也可使系统设计简单化、产品小型化。因此本文 中采用usb和fpga技术相结合的方案设计的数据采集系统，它小巧且便于携带，可以 大大提高系统的稳定性与可靠性。 整体设计思路为：用户首先登入界面程序并发出相应的采集命令；然后命令通过 usb传输到下位机也就是采集卡，紧接着采集卡的主控制器fpga根据命令控制ad进行 模数变换的操作，直到计算机终端收到经由usb传输过来转换后的数字信号，最后用户 在程序中可以轻松实现数据现的接收、存储和显示等相关功能。本数据采集系统包括两 部分：系统的硬件设计和软件设计。系统总体框图如图3-2所示。 硬件部分 ad转换 fpga控制器 usb2.0接口 软件部分 fpga逻辑控制 usb固件程序 驱动程序 应用程序 基于usb的便 携式数据采集 3-2 系统总体框图 figure3-2 system framework 3.3 硬件构成 硬件要实现二大主要功能：一是接收pc主机传送过来的命令，同时并控制其它电路 的相关执行命令，二是控制输入信号的模数转化，最后把转化后的数据直接传输到pc主 机里。根据硬件要实现的功能，本数据采集系统的硬件主要设计了以下几部分：ad转换 电路，fpga控制器及外围电路，usb接口电路以及电源电路。ad转换芯片主要功能是 将输入的模拟信号转换为数字信号；而fpga作为系统主控器，它是整个系统的核心， 主要实现对ad芯片的时序控制和数据的缓存，还要完成对usb接口电路的控制；usb接 口电路主要完成fpga和上位机(pc)的数据传输和信息交换；在电源电路中，系统中采用 usb总线供电，并通过电压转换芯片来满足ad芯片、fpga芯片的供电要求。 系统总体设计 11 3.4 软件构成 用户要想使上位机能够发送命令给硬件，并接收下层硬件产生的数据，没有相应的 软件程序来协助是不可能完成这些功能的。本系统的软件设计主要包括两个部分：一部 分主要用于控制ad的模数转换、数据的缓存以及控制usb进行数据传输的fpga逻辑控 制程序；另一部分是开发usb设备涉及到的程序，主要涉及到usb固件程序、usb设备 驱动程序以及客户应用程序。其中，固件程序的主要功能是用来设置usb的工作模式， 并对用户发来的各种请求做相关的处理，以保证传输数据的高效；驱动程序好比就是硬 件电路和上位机客户应用程序的桥梁；而客户应用程序主要为用户提供可视化的操作界 面，用户只要轻松的设置界面上相关参数或者点击相关功能按钮就可以实现对硬件电路 的控制。 西安理工大学硕士学位论文 12 系统硬件设计 13 4 系统硬件电路的设计与实现系统硬件电路的设计与实现 本章主要介绍基于usb的便携式数据采集系统的硬件电路设计。首先简单介绍硬件 电路的整体构架，然后介绍芯片的选择，最后介绍各个模块的具体实现方式。硬件电路 框架如图4-1所示。 ad芯芯片片 fpga 控制器 usb2.0接接 口口芯芯片片 时时钟钟时时钟钟 控控制制 数数据据输输入入 控控制制 数数据据 模模拟拟 输输入入 fpga 外围电路 电 源 图4-1 硬件电路框架 figure4-1 hardware circuit framework 4.1 fpga 4.1.1 fpga 简介简介 fpga是field programmable gate array的缩写，即现场可编程门阵列，是一种能够用 编程的方法设计内部硬件电路结构的集成电子器件。随着社会的发展，fpga应用的领 域越来越广范，包括通信、移动设备、航空航天、自动控制等领域，并有向计算密集型 应用发展的趋势。fpga可以完成许多数字器件的功能，无论是高性能的cpu还是简单 的74系列电路，这些都可以由fpga控制实现。数据采集系统使用fpga作为主控制器可 以大大缩短设计时间，减少pcb面积，提高系统的可靠性、扩展性、便携性等。 fpga 主要有两种编程方法，它们是相互竞争的。第一种是 sram 编程，这涉及到 用 sram 的比特位作为编程单元。基于 sram 的 fpga 具有可以被重复编程的优点， 这种 fpga 被安装到系统以后再被重新编程，使得“在线升级”变得非常容易。编程者只 要修改一下软件，就可以替换一个通信协议；为 fpga 的设计增加一种特性，它允许在 西安理工大学硕士学位论文 14 设计中设置一些小规模的存储器，像 fifo（先进先出存储器） ，但是一个 fpga 中一般 不设置大规模的存储器，因为那样是不经济的。另外，基于 sram 的 fpga 还可以被用 于“可重新配置”计算。计算机中含有 fpga，算法可以在计算机中汇编，并在这些 fpga 中运行。另一种编程方法牵涉到反熔丝。反熔丝技术的特点主要有以下几个方面： 它的单元较小，占用芯片面积小，而工作频率相当高，反拷贝能力强，并且还不需外接 prom 或 eprom， 。这种 fpga 主要适合航天、军事、工业等各领域。理论上，反熔丝 型 fpga 比 sram 型 fpga 在速度上要快很多。这是因为反熔丝型 fpga 对于经纬路 径来说，其内部导体之间的连接是实质性的，当然这是相当于 sram 型 fpga 内部所用 的逻辑门或晶体管而言的。然而在实践中，我们发现反熔丝型 fpga 的速度并不比 sram 型 fpga 的速度快的很多。这与理论上还是存在一定的差距。同时我们不能忽视 的是反熔丝型 fpga 的缺点也是明显的，它只能一次编程，并且需要专门的编程器，这 些都会在一定程度上影响系统的开发成本。 4.1.2 fpga 芯片的选择芯片的选择 a. .芯片选择 目前生产fpga器件的两个主要厂商是altera公司和xilinx公司，其生产的pld产品被 广泛的应用到各个领域。两个厂商生产的各个系列产品各有优劣，提供的宏功能模和开 发平台也各不相同。在考虑了芯片内部资源、器件的执行速度、可用i/o管脚数目、器件 功耗等因素后，本文设计中采用了altera公司生产的性价比较高的cyclone系列型号为 eplc6q240的芯片。该芯片具有强大的硬件逻辑功能，总逻辑单元达5 980个，包含20个 12836位的ram块，总的内部存储单元达到92160位，内嵌2个锁相环，芯片工作电压为 1.5v，有180个i/o引脚，支持多种不同的i/o标准；应用广泛，性价比较高【6】。 b. .fpga管脚 fpga的管脚主要包括：用户i/o、配置管脚、电源、时钟及特殊应用管脚等，其中 有些管脚可有多种用途。这就要求在设计fpga相关电路之前，设计人员需要认真的阅 读相应fpga的芯片手册。本文设计选用的是altera公司的eplc6q240的芯片，该芯片的 主要管脚介绍如下【7-8】。 1) 用户i/o 一般作为输入或输出接口，也有些是双向口的，同时可用为lvds差分对的负端。 通常情况下对多余的i/o口引脚会进行一些处理，比如通过扩展的插针形式将不用的引脚 引出来，作为后期系统升级扩展以及系统的调试工作之用。 2) 配置管脚 msel1:0：用于选择配置模式。fpga由多种配置模式，可以通过此管脚进行选择； 系统硬件设计 15 data0：fpga串行数据的输入管脚； dclk：fpga时钟管脚；ncso：fpga片选信号管脚；asdo：fpga串行数据管 脚； nceo：下载链器件的使能输出管脚；nconfig：用户模式配置； nstatus：状态信号配置；conf_done：结束信号配置； nce：下载链器件使能输入； 3) 电源管脚 vccint：fpga的内核电压；vccio：fpga的端口电压； vref：参考电压；gnd：信号地。 4) 时钟管脚 vcc_pll：fpga的锁相环管脚电压； vcca_pll：fpga锁相环的模拟电压； gnda_pll：fpga锁相环的模拟地； gndd_pll：fpga锁相环的数字地； clknum：fpga锁相环时钟的输入； pllnum_out：fpga锁相环时钟的输出； 另外，有一些管脚是全局时钟，使用这些管脚作为关键时钟或信号的布线可获得最 佳的性能。 4.2 ad 转换器的选择 模拟信号进入fpga之前，必须用ad转换器将其转换为数字信号以便系统的识别。 因此ad转换器是整个数据采集系统设计的一个重点，必须慎重考虑。ad芯片的选用关 系到数据采集系统的技术指标、系统结构、功耗、安装、环境要求等。一般情况下ad的 选取可以遵循以下几点原则： ad分辨率：相应芯片的分辨率主要根据输入信号的幅度确定； 转换速度：主要根据被测信号的频带宽度范围，确定ad转换器的传输速度。通常 情况下转换器的转换速率要高于系统要求的采样频率； a/d的环境参数：采集的环境条件决定了符合其环境参数要求的芯片。这里的环 境参数主要包括信号输入范围、工作温度范围、供电要求以及抗干扰性能等四个方面； 数据接口要求：a/d转换器的输出形式选择，是选用外部时钟还是内部时钟；是 否存在转换结束状态提示信号等。 在考虑了上面的几点要求后，我们还要考虑到器件成本、供货渠道、技术支持等因 素。 综合以上因素，本系统设计采用美国德州仪器(ti)公司的ad转换芯片 西安理工大学硕士学位论文 16 tlc5510。tlc5510特点如下：8bit分辨率；最大转换速率是20msps；供电电压是 5v；100mw的低功耗；内置采样、保持功能模块。另外，tlc5510由于采用半闪速结构 和cmos工艺，减少了功率损耗和晶片尺寸。 tlc5510采用24引脚的贴片封装，各引脚功能描述如表4-1【9】。 表4-1 tlc5510引脚 table4-1 tlc5510 pin 引脚名输入/输出描述 agnd模拟地 analog in输入模拟信号输入端 clk输入时钟 dgnd数字地 d1-d8输出8位数据输出端 oe输入输出使能端，低电平有效 refb输入ad转换器参考输入电压 refbs当内部分压器输出额定2v 基 准电压时，该端短路至refb； reft输入参考输入电压 refts当内部分压器产生2 v 的额定 基准电压时，该端短路至reft。 vddd数字电源 vdda模拟电源 在本系统中，待测信号的模拟输入范围为0.6 v2.6 v，所以需要利用tlc5510内部 分压电路产生2v电压量程，使得tlc5510的输入范围为0.6 v2.6 v。tlc5510内部分压 电路连接模式如图4-1所示： r1 320 rref 270 r2 80 vdda +5v refts reft refb refbs agnd tlc5510 图4-1 产生2v电压量程的连接图 figure4-1 connection diagram of the 2v span 其中模拟电源vdda引脚接入+5.0v模拟电压，模拟地agnd引脚接模拟地，refts 系统硬件设计 17 和reft短接，refbs和reb短接。内部电阻的标准值分别为： r1=320，rref=270，r2=80。由图4-1中的连接便可计算出电压量程范围。计算如下 所示： refb= vddar2/(r1+rref+r2)=580/(320+270+80)=0.6(v) reft= vdda(rref+r2)/(r1+rref+r2)=5(80+270)/(320+270+80)=2.6(v) 所以tlc5510的信号输入范围为0.6v2.6v，当模拟输入为0.6v时，转换输出的数 字量为00000000，2.6v对应的数字输出为11111111。 4.3 usb 接口芯片的选择 对于目前市场上如此多的usb接口器件，芯片选择时应该考虑的因素就很多了。本 设计要求数据采集系统是便携式的，所以必须考虑电路复杂程度、体积大小、系统功耗、 程序/数据存储器容量大小、电源需求、数据传输速率要求等多方面互相耦合因素的影响 【10】 。其中cypress公司的ez-usb fx2lp系列芯片是首选。它是集成了usb2.0协议(向下 兼容 usb1.1)的微控制器，同时可以进行全速传输(12mb/s)以及高速传输(480mb/s)，并 且包括4种不同的usb传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输。值得一提的 是ez-usb fx2lp系列芯片内部集成了usb外围接口设备所需的全部功能，我们可以利 用这种芯片的优点便利地开发许多功能迥异的产品。本设计选用的就是ez-usb fx2lp 系列中拥有56引脚的cy7c68013a芯片，它是该系列芯片中引脚最少、体积也较小的一 款，符合系统便携的要求，同时也会降低设计成本。 4.3.1 cy7c68013a 芯片结构芯片结构 cy7c68013a芯片内部结构如图4-2所示。 西安理工大学硕士学位论文 18 8051内核 12/24/48mhz cy 智能usb 1.1/2.0接 口引擎 usb2 .0收 发器 x20 pll 16kb ram 地 址 数 据 总 线 i2c总线 gpif （通用 可编程 接口） 4kb fifo i/o引脚（24） addr(9) rdy(6) ctl(6) 8/16 数据（8） 地址（16） 24mhz外 部晶振 d+ d 图4-2 cy7c68013a芯片内部结构图 figure4-2 cy7c68013a chip internal structure 该芯片内部主要包含以下几部分：高速8051单片机、fifo存储器以及gpif (通用可 编程接口)、串行接口引擎和usb2.0收发器。数据线有8位和16位可供选择，很容易与不 同的控制器接口对接【11-12】。 单片集成usb2.0收发器、sie和增强型8051cpu； 为适应usb2.0的480mbit/s的速率，fifo端点可配置成2，3，4个缓冲区； 内嵌增强型8051微处理器，它该功能比标准8051强、速度比它快，硬件资源也比较多； ram是16kb的，程序代码和数据都可以简单地存储在芯片内部的ram里； 接口模式丰富，主要有通用的i/o模式、slavefifo模式、gpif模式； 内部有多达4个的fifo缓冲区，主要任务是提供主机或从机操作；它与fpga或其它 控制器芯片接口是相当容易的。 cy7c68013a芯片主要管脚的功能如表4-2所示。 表4-2 cy7c68013a的主要功能管脚 table4-2 the main function of the cy7c68013a pin 15，16dplus,dminusi/o/zusb d和d-数据线 49reset#i复位信号线，低电平有效 11，12xtalin,xtalouti,o晶振输入、输出管脚 5clkouto/z 时钟信号的输出端， 默认为 12mhz 4047pa0-pa7i/o/z i/o 口pa，具有第二复用功 能 2532pb0-pb7(fd0-fd7)i/o/zi/o 口pb (双fifo/gpif 的 系统硬件设计 19 低8 位数据总线) 5256，13pd0-pd7(fd8-fd15)i/o/z i/o 口pd (双fifo/gpif 的 高8 位数据总线) 8rdy0/slrdi gpif 的输入信号端/ 从属 fifo 的读选送端 9rdy1/slwri gpif 的输入信号端/ 从属 fifo 的写选送端 3638 ctl0-ctl2/flaga- flagc o gpif 的控制输出端/从属 fifo 的输出状态标志信号 20ifclki/o/z从属fifo 的同步时钟信号 21reservedi保留，接地 51wakeupiusb的唤醒信号输入端 22，23scl,sdaod i 2c 总线的时钟信号线和数 据信号线 4.3.2 cy7c68013a 的端点缓冲区的端点缓冲区 端点(endpoint)是usb规范中很重要的一个概念，从cy7c68013a的观点来看，端点 是一个通过usb总线来传送与接收字节的数据缓冲区。cy7c68013a在数据传输的时候 主要用到了4kb的fifo和7个端点。cy7c68013a的7个端点如表4-3所示。 表4-3 cy7c68013a的7个端点 table4-3 the seven endpoints of the cy7c68013a 端点大小备注 ep064b控制传输 ep1in64b输入 ep1out64b输出 ep24kb输入/输出 ep44kb输入/输出 ep64kb输入/输出 ep84kb输入/输出 usb协议中将端点做了如下定义：它是窗口，是数据的接受器和发送器。ep0是一 个默认的双向控制端点，它即可写数据也可读数据。当传输控制命令有需求时， cy7c68013a中的固件程序就可以读写ep0。ep1in和ep1out使用独立的64字节缓存区， 可以配置为同步、中断和块传输方式，这2个端点也只能被固件访问。 ep2、ep4、ep6、ep8这几个端点缓存区主要用来进行高带宽数据传输，不需要固件程 序的参与。这四个端点可以设为in或者out，自动模式或者手动模式。另外为了解决带 宽的问题以及读写双方互相等待的时间过长等问题，可以将这4个端点配置成双重、三重 和四重缓冲，这样就可以很好解决这些问题了。这些端点在内部的传输控制是通过满和 空两个控制信号来完成的，内部写满了就不能再写数据，读空了就不再对fifo进行读。 西安理工大学硕士学位论文 20 4.3.3 cy7c68013a 的接口模式的接口模式 cy7c68013a芯片提供了slave fifo(从属fifo)和gpif(通用可编程接口)两种不同类 型的接口模式。其中可以通过设置寄存器ifcfg来选择相对应的接口模式。 gpif代表主机模式，对于这种模式，主控制器是cy7c68013a芯片，可以通过软件 编程自动读写控制波形。对于8/16位接口的控制器、存储器可以进行数据的主动读写， 没有必要外加控制器。slave fifo模式顾名思义即从机模式，在本模式下，系统中的逻 辑控制器fpga就犹如普通fifo一样，可以轻松完成对cy7c68013a中端点数据缓冲区 的读写工作。对应的芯片的工作时钟有内部产生和外部输入两种不同方式可供选择；相 关电平的设置由芯片的控制信号控制；工作方式同时也对应有二种模式即异步模式或者 同步模式，所谓异步就是读写数据的时候只与读写使能信号有关，与时钟ifclk无关； 所谓同步就是同时受时钟信号以及读写信号的控制。同步与异步的时序如图4-3所示。 slrd slwr 异步 slrd slwr 同步 ifclk 图 4-3 异步和同步模式下的时序图 figure4-3 asynchronous and synchronous mode timing diagram cy7c68013a的固件程序代码和数据，先存储在pc机上，然后再通过usb接口从pc 机直接下载到cy7c68013a芯片内部的16kbram里面，这样可以缩短产品的开发周期， 同时还可以方便对固件进行更新，以及完成对产品进行升级工作等。本设计中选择 fpga作为控制器，那么对应cy7c68013a就选择工作在slave fifo模式(从机模式)。 4.4 ad 电路设计 4.4.1 接口的电平转换接口的电平转换 tlc5510的工作额定电压一般是5.0v，而对应的fpga的i/o口工作电压通常状况下 是3.3v。tlc5510的时钟信号clk和输出使能信号oe能够被fpga输出的电平驱动，所以 tlc5510的时钟信号clk和使能信号oe与fpga的i/o口能直接相连，但tlc5510的数据 输出端d1-d8与fpga的i/o口之间不能直接相连的。为了不损坏器件以及完成正常的数 据通信，那就必须在tlc5510与fpga之间进行电平转换。设计中选用74lvc4245a 电 平转换芯片，该芯片的特点是双向、8路、电平可控，同时具有3.3v和5v两种供电电源。 其各个引脚功能各个参数如下：vcca电源电压(5v0.5v)；vccb电源电压(3.3v0.3v)； gnd 地；a1-a7数据输入/输出；b1-b7数据输入/输出；dir方向控制器；#oe输入输出 系统硬件设计 21 使能(低电平有效)。电路中74lvc4245a的vcc接+5.0v电源，vbb接3.3v电源【13】。a1- a8与tlc5510输出的8位数字信号连接，#oe、b1-b8与fpga的i/o口连接，dir为方向 控制器，通过一个选择开关p1可以控制数据的传输方向。当选则开关连接到3.3v高电平 时，允许数据从a端(tlc5510)传到b端(fpga)；当选择连接到低电平时允许数据从b端 (fpga)传到a端(tlc5510)。tlc5510与fpga的接口连接示意如图4-4所示。 fpga ain clk oe tlc5510 d1-d8 a1-a8 b1-b8 模拟输入 信号 data