基于CY7C68013的USB数据采集系统

1、基金颁发部门:河南省教育厅;项目名称:微机控制光定位误差分析系统的研究;编号: 2007510017 基金申请人 :李鉴 高有堂基于 CY7C68013的 USB 数据采集系统李鉴 黄大勇(河南省南阳理工学院电子与电气工程系 河南 南阳 473000摘要:本文介绍了高速 USB2.0芯片 CY7C68013的特点。设计出一种主要由 CY7C68013与 Altera 公司 EP1C6芯片构成的 USB2. 0数据采集系统 . 首先介绍了系统硬件设计部分 , 重点介 绍了利用 CYPRESS 公司 FX2系列的 CY7C68013芯片进行 USB2.0高速数据传输的方法和系统 设计。软件部分主要

2、由固件设计、驱动程序设计和应用程序设计 3部分组成。事实证明,该 基于 2.0接口的高速数据采集系统完全满足设计和使用要求。关键词:USB2.0;数据采集; CY7C68013 ;软件设计中图分类号 :TP334.7 文献标识码 :ADesign and realization of data acquisition system basedon USB of CY7C68013LIJIAN HUANG Da-yong(Department of electronics and electrical Engineering,Nan yang Institute of Technology,Na

3、nyang 473000 ,ChinaAbstract: The characteristics of the high speed chip CY7C68013 based on USB were iniroduced,the data acquisition system mainlyconsists of CY7C68013 and Altera Corporations EP1C6 chip. At first it introduced the system hardware design part,especially introduced the system design an

4、d high speed data transmission method which used cypress corporation FX2 serial CY7C68013 chip.The software part mainly consists of three parts of firmware design,driver program design and application program design.It was proved that the system can absolutely fufill the design and use request.Keywo

5、rd:USB2.0; Data Acquisition; CY7C68013 ; Software Design引言现代工业生产和科学技术研究的各行业都需要对多种数据进行采集。 利用基于 PC 内部总线 的数据采集板卡进行数据采集,存在扩展性差、安装麻烦、易受机箱内环境干扰,在许多场 合尤其是便携式应用场合不适用等缺点。 目前广泛应用的 USB(UniversalSerial Bus通用串行 总线 接口具有安装方便、带宽高、成本低、可靠性高、易于扩展等优点。目前 USB2.0支持 的最高传输速度可达到 480MbpS, 基本能够满足日益复杂的高级外设与 PC 机之间的高性能 连接需求,正逐渐成

6、为现代数据传输发展的必然趋势之一。鉴于此,本系统采用 USB2.0芯 片 CY7C68013进行通信接口设计。 本数据采集系统由嵌入到 FPGA 芯片 EP1C6内的 NiosII 软处理器作采集设备的控制单元,进行 USB 总线通信 .1 系统硬件整体设计该系统总体框架为 PC 机 (能支持 USB2.0协议的计算机 、 A/D转换模块、 FPGA 控制模块、 USB 控制模块,如图 1所示。从整体上看结构就可以做成两个部分:一是高速数据采集模块 的设计,二是 USB2.0高速数据传输系统。 图 1 系统总体框图 1.1 数据采集模块 该系统主要是由1片高速AD芯片、一片SDRAM和1片Al

7、tera公司的FPGA构成的。由于系统 设计采样速度最大为100MHz, 据采样定理, 采样频率至少应在200MHz以上, 所以AD芯片采用 的是ANALOG公司的高速AD芯片AD9480。为了满足数据采集中高速实时流数据的应用,避免 FIFO溢出,本系统通过FPGA及SDRAM构造一个大容量的FIFO,可以提供一个低成本并能满足 高 速 实 时 流 数 据 传 输 的 方 案 。 FPGA 选 择 了 ALTERA 公 司 的 CYCLONE 系 列 高 性 价 比 产 品 EP1C6T144C8。在本设计中经过论证分析,采用CYPRESS公司的EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯

8、片。1.2.1 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。 图2 CY7C68013结构图1.2.2 硬件连接 根据系统对数据传输的速度和实时性的要求,配置CY7C68013工作的接口模式为Slave FIFO模式。当进行数据采集时,硬件连接方式如图3所示。 图3 硬件连接框图A/D转换器的采样时钟同时作为CY7C68013的Slave FIFO模式的读写控制时钟,即 CY7C

9、68013的接口时钟连接到IFCLK引脚。SLWR/SLRD是CY7C68013 Slave FIFO的写使能/读允 许信号。FPGA向CY7C68013 Slave FIFO提供Slave FIFO输出允许信号SLOE,仅在数据输出时 有效。 FD15:0为16位双向数据总线。 FIFOADR1:0为端点FIFO选择信号。 在数据输入时固 定为00,选择的是端点2;在数据输出时固定为10,选择的是端点6。2 系统程序设计USB系统的软件设计可分为三部分:固件设计、 驱动程序设计和用户端的应用程序设计。 2、1 固件(firmware设计固件程序实际上就是单片机方面的软件设计, 它是所有基于微

10、控制器及其外围电路的功 能设备正常工作必不可少的部分,其作用就是辅助硬件。Cypress公司为了简化和加速用户使用EZ-USB FX2芯片进行USB外设的开发过程, 提供了 一个完整的固件程序的架构,可以在KEIL C51环境下开发,用户只需要提供一个USB描述符 表, 添加其他端点接收和发送数据的通信代码, 以及控制外围电路的程序代码。 由于开发框 架的引入,从而大大缩短了用户的研发周期。固件调试,使用Cypress提供的EZ-USB control panel,具体的操作读者可以参考其自 带帮助。2.2 驱动程序设计USB设备驱动程序是开发USB外设的一个关键, 它在整个系统中处于主机端应

11、用程序和设 备端Firmware之间。它的主要作用是使操作系统能够识别USB设备,并建立起主机端和设备 端之间的通讯。USB驱动程序属于先进的WDM (Win32 Driver Model 驱动程序模式, 支持即插即用功能。 在WDM驱动程序模式中,每个硬件设备至少有两个驱动程序:一个为功能驱动程序,即硬件 设备的驱动程序, 它了解USB外设硬件工作的所有细节, 负责初始化I/O操作; 另一个为总线 驱动程序, 它负责管理USB外设与主机的连接, 如检测接入主机的USB设备, 并确定设备的资 源使用情况等。 总线驱动程序要负责枚举总线, 并为每个设备创建一个PDO (物理设备对象 。 当总线驱

12、动程序发现有设备接入或拔出总线时, 它要向上层驱动程序报告事件的发生。 功能 驱动程序位于总线驱动程序的上层,它要为设备创建一个FDO(功能设备对象。在Windows操作系统下, 开发WDM驱动程序可以选择微软公司的DDK (驱动程序开发包 。 DDK提供了创建WDM驱动程序的开发环境,并提供了用于开发Windows 2000和Windows XP驱动 程序的头文件、库函数、源代码、各种工具和文档资料; Cypress FX2开发包提供了一个通 用的驱动程序,可被用于基于EZUSB系列芯片的USB设备。该程序可不加修改经DDK编译后 直接使用,在应用中可以看到其运行稳定。当然,用户也可以以这个

13、驱动程序为起点,创建 自己的驱动程序。2.3 应用程序设计应用程序设计以驱动程序为桥梁,对USB设备进行命令控制,处理USB设备传回的数据。 Cypress FX2开发包提供的EZUSB通用驱动程序为主机端的用户态应用程序提供了USB标准 设备请求和数据传输的接口。 所有用户态程序访问EZ USB通用驱动程序都是通过I/O Control 调用的。用户态程序首先通过调用Win32函数CreatFile( 得到设备驱动程序的句柄。然后,调 用Win32函数DeviceIoControl( ,通过得到的句柄把I/O Control Code(IOCTL 和相关的 输入输出缓冲区提交给驱动程序。用户

14、程序框图如下图 4 所示。图 4用户程序框图3 结束语随着笔记本电脑的迅速普及,高性能便携式采集系统将会受到工程师们越来越多的青 睐, 对基于 USB 接口的数据采集系统的需求就变得更加迫切。 在该高速同步数据采集系统的 设计中, CY7C68013芯片灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件的设计,提高了系统的 可靠性,且利于设备的生产与调试。事实证明,该基于 2.0接口的高速数据采集系统完全满足设计和使用要求。参考文献1 . EZ-USB FX2 Technical Reference Manual2 张弘.USB接口设计M.西安:西安电子科技大学出版社,20023 边海龙.USB2.0设备的设计与开发M.北京:人民邮电出版社,20044. 严雪萍.基于FPGA的高速数据采集系统J .微计算机信息, 2008, 1-2:209-211。 项目经济效益 100万元 南阳理工学院图书馆订阅有微计算机信息期刊作者简介李鉴(1976.11一,男,南阳理工学院讲师,主要研究方向为嵌入式系统.