Labview控制的FPGA实现SOPC数据采集系统设计方案

1、【Word版本下载可任意编辑】 Labview控制的FPGA实现SOPC数据采集系统设计方案 2.2 USB芯片CY7C68013(FX2) 为了满足对USB传输速度较高的需要，本设计选择了Cypress公司内置USB接口的微控制器芯片EZUSBFX2。FX2系列芯片独特的构造使其数据传输速度可达56Mbps，故可限度地满足USB2.0的带宽。此外，CY7C68013提供有一个串行接口引擎(SIE)，可负责大部分USB2.0协议的处理工作，从而大大减轻USB协议处理的工作量，并可提供4KB的FIFO，以保证数据高速传输的需要。CY7C68013可配置成三种不同的接口模式：Ports、GPIF

2、Master和Slave FIFO。本项目采用Slave FIFO模式。在该模式下，外部逻辑或外部处理器直接连接到FX2的端点FIFO，因为外部逻辑可以直接控制FIFO，所以，FIFO的基本控制信号(标志、片选、使能)均由FX2的引脚引出。其外部控制可以是同步，也可以是异步，可以使用内部时钟，也可以使用外部时钟。 2.3 FPGA器件EPIC60240C6 FPGA (Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列。本设计选用的是ALTERA公司的EPIC60240芯片，该芯片的工作电压为1.5 V，存储器密度可达5980个逻辑单元，它包含20个128x36位R

3、AM块，总的RAM空间达92160位，此外还内嵌了2个锁相环电路和一个用于连接SDRAM的特定双数据率接口，故可支持多种不同的IO标准。事实上，这里的FPGA除了可以直接编程以开展逻辑控制外，也可在此根底上构建SOPC系统，以便使用软、硬件协同方法，与SDRAM构成一个大容量的FIFO来对SDRAM以及MD转换器开展控制，同时完成与USB器件的协同工作。 2.4 SOPC及其设计 SOPC (System on a Programmable Chip)即可编程片上系统。它可以由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；这种可编程系统具有灵活的设计方式，而且可裁减、可扩大、可升级。本设计采用ALTER

4、A公司率先推出的SOPC解决方案，来将处理器、存储、IO口等系统所需集成到一个FPGA器件上，并对其开展软、硬件配置，从而实现对数据的采集、传输、显示控制。图3所示是其SOPC系统框图。 3数据采集系统软件设计 本系统软件包括SOPC系统程序、USB固件程序、驱动程序和应用程序等4个方面的设计。其中SOPC系统程序和USB固件程序是整个程序设计的。 3.1 SOPC系统程序设计 基于QuartusII和Nios的SOPC设计流程如图4所示。 本系统中的SOPC系统软件设计是指在FPGA中配置ALTERA公司NiosII嵌入式处理器的硬件环境。其中NiosII处理器的配置可基于QuartusII

5、，它是ALTERA公司的大规模FPGACPLD开发工具。为了开展Nios处理器的开发，通常要在Quartus里装入NiosII的软硬件开发工具，同时在提供的开发包中使用软件SOPC Builder开发工具加载NiosII核和外围接口，并定义相应的指令，然后对系统开展综合后，再到FPGA中，就可以完成特定功能的处理器设计。 3.2 USB固件程序设计 CY68013芯片的固件程序主要负责处理PC机发来的各种USB设备请求，并与外围电路开展数据传输。CYPRESS公司提供的固件程序框架中的两个程序分别是FW.C和PERIPH.C。其中FW.C是固件运行的主程序文件，负责处理各种USB设备请求，包含

6、程序框架的MAIN函数，它可管理整个51内核的运行。而对于PERIPH.C，则必须将PERIPH.C实例化，以实现所需的功能。固件程序中重要的是TD_init()和TD_poll()两个函数。TD_Init函数负责对CY7C68013的初始化，它一般在固件运行开始时调用；TD_poll函数是数据采集的执行子程序，它首先判断内部端点6的缓冲区和外部FIFO缓冲器是否非空，如满足条件，则启动AD转换，并根据USB设备工作在高速和全速的不同来设置不同的传输计数。本设计中将接收数据端点6设为SLAVE FIFO模式，并使用AUTO IN模式来接收FPGA发来的数据，数据流由外部FIFO控制器控制，并直

7、接传人端点6的FIFO，以等待主机提取。这里，CY7C68013仅作为数据通道，CPU不参与此过程。因此，只需在固件的初始化程序中配置好端点6的SLAVE FIFO接口模式，剩下的传输控制和其它的工作则可由FPGA来完成。以下是针对本设计的部分固件程序： Void TD_Poll(void)在设备运行时反复被调用，主要完成外部FIFO状态检测和数据传输 3.3 USB驱动程序设计 Windows下的USB驱动程序通常由3部分组成：USB设备驱动程序、USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序。其中，Windows操作系统已经提供了处于驱动程序栈底的USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序。而

8、USB设备驱动程序则要由设备开发者编写。它应能通过向USB总线驱动程序发送包含URB(USB Request Block)的IRP(IO Request Packet)来实现USB外设之间的信息交换。本设计采用Jungo公司的Win Driver开展驱动程序开发，并根据Win Driver提供的驱动向导和用户需要，来自动生成代码框架，从而简化驱动程序的开发。 3.4应用程序设计 本设计采用NI公司的虚拟仪器(VI)开发平台Labview来开展应用程序的设计。VI包括三部分：前面板、框图程序和图标连接器。其中前面板用于设置输入数值和观察输出量。每一个前面板都对应着一段框图程序。框图程序可用Labview图形编程语言G语言来编写。图标连接器是子VI可被其它调用的接口。图标是子VI在其它程序框图中被调用的节点