基于FPGA和USB接口的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

王寅超，鄭正奇

（華東師范大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 200241）

數(shù)據(jù)采集技術(shù)在工業(yè)測(cè)量與控制，自動(dòng)化測(cè)試等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，筆者以多通道測(cè)距雷達(dá)信號(hào)的采集為研究背景，開(kāi)發(fā)了一種以FPGA為核心的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于FPGA采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行模塊化編程，在無(wú)需對(duì)系統(tǒng)硬件做任何調(diào)整的情況下便可對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行修改和升級(jí)。

將USB2.0接口作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，將各通道的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，既保證了采樣數(shù)據(jù)的傳輸速度，又使該系統(tǒng)具備了即插即用的特性，還可使用VC、LabVIEW等多種程序語(yǔ)言進(jìn)行上位機(jī)程序的編寫，提高了軟件開(kāi)發(fā)的靈活性。

1 系統(tǒng)組成

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最多可以對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

AD轉(zhuǎn)換器件選用AD公司的AD7829[1]，其最高采樣率為2 MSPS，采樣位數(shù)8位，數(shù)據(jù)接口類型為并口，有8路模擬信號(hào)輸入并自帶模擬開(kāi)關(guān)以及采樣保持電路，內(nèi)部參考電壓為2.5 V。

USB接口芯片采用Cypress公司的CY7C68013A[2]，內(nèi)置增強(qiáng)型8 051處理器和USB2.0引擎，向下兼容USB 1.1協(xié)議，并具有GPIF接口可與多種外設(shè)相連。使用keil3作為USB固件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

FPGA選擇Altera公司的EP1C12Q240C8[3]，具有兩個(gè)PLL，12 060個(gè)邏輯單元，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，并能構(gòu)建一定深度的緩存空間。FPGA的程序使用Verilog硬件描述語(yǔ)言在QuartusII平臺(tái)下編寫。

2 多通道數(shù)據(jù)采集控制和數(shù)據(jù)緩沖

本設(shè)計(jì)中通過(guò)FPGA產(chǎn)生AD7829的采樣控制邏輯[4]，并通過(guò)在FPGA中構(gòu)建一定深度的FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的緩沖。

2.1 AD采樣控制邏輯

AD7829的采樣邏輯如圖2所示。

圖2 AD7829的采樣時(shí)序邏輯Fig.2 AD7829 parallel port timing diagram

FPGA對(duì)于AD采樣的控制邏輯按照?qǐng)D2的時(shí)序要求來(lái)設(shè)計(jì)[5]，主要分為兩個(gè)模塊：帶PWM功能的采樣時(shí)鐘發(fā)生模塊和采樣過(guò)程控制模塊，具體工作過(guò)程如下：首先由FPGA產(chǎn)生頻率為2 MHz、占空比為80%的采樣頻率來(lái)啟動(dòng)AD7829的模數(shù)轉(zhuǎn)化，然后FPGA在每次接收到AD7829反饋的轉(zhuǎn)換完成信號(hào)EOC后，分別控制CS，RD的狀態(tài)，從而得到每次轉(zhuǎn)換的有效數(shù)據(jù)。

在每次轉(zhuǎn)換過(guò)程中FPGA通過(guò)控制AD7829的模擬開(kāi)關(guān)控制位A0-A2（二進(jìn)制000-111分別對(duì)應(yīng)AD7829的1-8通道）來(lái)選擇當(dāng)前轉(zhuǎn)換的模擬通道，在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA在每次模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后對(duì)模擬開(kāi)關(guān)控制位進(jìn)行加1操作，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)8通道信號(hào)的輪流采集。由于本系統(tǒng)采樣時(shí)鐘為2 MHz，因此8路信號(hào)的單路采樣率為250 KSPS。若要對(duì)采集的通道總數(shù)進(jìn)行更改，只需對(duì)FPGA邏輯中控制通道模擬開(kāi)關(guān)的部分稍作修改即可。

AD采樣邏輯的FPGA仿真時(shí)序如圖3所示。

圖3 FPGA仿真時(shí)序Fig.3 FPGA simulation timing diagram

2.2 數(shù)據(jù)緩沖

利用QuartusII提供的IP核，在FPGA中構(gòu)建一塊異步FIFO作為采樣數(shù)據(jù)的緩存器[5]。在每次得到的有效采樣數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA將8位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)的通道號(hào)碼 （A0-A2）進(jìn)行拼接后存入該異步 FIFO中（見(jiàn)圖3中的data_add），等待通過(guò)USB接口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理。

在本設(shè)計(jì)中異步FIFO的寫入時(shí)鐘 （見(jiàn)圖3中的fifowdclk）根據(jù)AD7829的采樣邏輯而產(chǎn)生，以保證寫入時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，AD7829的數(shù)據(jù)線處于有效數(shù)據(jù)狀態(tài)，因此其頻率與系統(tǒng)的采樣頻率相同，也為2 MHz，而異步FIFO的讀取時(shí)鐘高達(dá)48 MHz（由CY7C68013A的 IFCLK提供），因此只要設(shè)置合適的FIFO深度和讀取時(shí)機(jī)就可以避免出現(xiàn)異步FIFO溢出的情況，從而確保多通道采樣數(shù)據(jù)能夠被及時(shí)發(fā)送至上位機(jī)。

3 USB接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用USB2.0接口傳輸AD采樣得到的數(shù)據(jù)，USB2.0接口在高速模式下的最大傳輸速率高達(dá)480 Mb/s，完全滿足本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)傳輸速率的要求，且能夠通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)配置，實(shí)現(xiàn)即插即用。

USB接口芯片選用CY7C68013A，在FPGA數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)之間建立通信。

3.1 通用可編程接口

通用可編程接口（GPIF）是CY7C68013A內(nèi)部端點(diǎn)FIFO的主控制器[6]，它的作用是將USB端點(diǎn)FIFO與外設(shè)FIFO進(jìn)行邏輯連接，從而控制數(shù)據(jù)的讀寫操作。

在本設(shè)計(jì)中，CY7C68013A與FPGA通過(guò)GPIF接口相連，如圖4所示，其中FIFO_RCLK和REN#分別是構(gòu)建在FPGA內(nèi)部的異步FIFO的讀取時(shí)鐘和讀使能信號(hào)，具體工作過(guò)程如下：通過(guò)AD采樣得到的有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)的異步FIFO中，當(dāng)FIFO達(dá)到半滿狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生一個(gè)Data_Ready信號(hào)通知CY7C68013A通過(guò)GPIF接口將這些數(shù)據(jù)讀入其USB端點(diǎn)的內(nèi)部FIFO中。

圖4 GPIF硬件連接Fig.4 GPIF hardware connection

3.2 USB固件

USB固件通過(guò)Keil3軟件進(jìn)行編寫，Cypress公司提供固件工程的基本架構(gòu)[7]，在多數(shù)情況下，只需在此架構(gòu)中添加功能代碼就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

而對(duì)于包含GPIF接口控制的固件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，還需要使用Cypress公司提供的 GPIF Designer軟件，根據(jù)不同外設(shè)的特定時(shí)序要求，對(duì)GPIF接口的讀寫時(shí)序進(jìn)行設(shè)置，生成GPIF波形文件并導(dǎo)出相應(yīng)的.C文件，添加到固件工程中，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)GPIF波形的設(shè)計(jì)功能。

在本設(shè)計(jì)中，固件程序檢測(cè)FPGA的Data_Ready信號(hào)，一旦該信號(hào)為高電平則通過(guò)啟動(dòng)預(yù)先設(shè)置好的GPIF波形邏輯，將FPGA內(nèi)異步FIFO的數(shù)據(jù)讀入U(xiǎn)SB端點(diǎn)的FIFO中，并進(jìn)行發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了AD采樣數(shù)據(jù)向上位機(jī)的傳輸。

3.3 上位機(jī)程序接口

通過(guò)Cypress公司提供的調(diào)試軟件Cypress USB Console，可對(duì)CY7C68013A進(jìn)行固件下載和簡(jiǎn)單的調(diào)試，同時(shí)此軟件還提供適用于CY7C68013A的驅(qū)動(dòng)程序，以及豐富的API函數(shù)，使用VC編寫上位機(jī)程序的時(shí)只需將CyAPI.h和CyAPI.l ib添加到MFC工程中[7]，便可直接調(diào)用這些API函數(shù)，對(duì)USB接口的數(shù)據(jù)讀寫操作進(jìn)行控制，從而大大降低了編寫上位機(jī)程序的難度和周期。

此外，還可以利用LabVIEW的VISA軟件，根據(jù)固件中配置的VenderID和ProductID直接生成適用于LabVIEW程序的USB驅(qū)動(dòng)，從而在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和LabVIEW之間建立通信，直接利用LabVIEW編寫上位機(jī)程序。

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)使用FPGA控制數(shù)據(jù)采集和緩存，以USB2.0作為數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)了單路最高采樣率達(dá)250 KSPS（8路情況下）的多通道數(shù)據(jù)采集和發(fā)送功能，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以對(duì)多路測(cè)距雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行采集。

同時(shí)，該系統(tǒng)也具有較強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性，通過(guò)使用采樣率和采樣精度更高的AD轉(zhuǎn)換器件，并對(duì)FPGA邏輯進(jìn)行升級(jí)，便可使其適用于更為廣泛的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合。

[1]Analog Device.AD7822/AD7825AD7829 datasheet[EB/OL].（2006）.http://www.analog.com/static/imported－files/data_sheets/AD7822_7825_7829.pdf.

[2]Cypress Semiconductor.EZ－USB FX2 Technical Reference Manual [EB/OL].[2011－09－15].http://www.cypress.com/docID=27095.

[3]Altera Corporation.Cyclone Device Handbook[EB/OL].[2011－09 －15].http://www.altera.com.cn/literature/hb/cyc/cyc_c5v1.pdf.

[4]王金明.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verilog HDL[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]于亞萍，錢建平.基于FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007，20（7）：33－34.

YU Ya-ping，QIAN Jian-ping.Data acquisition system research based FPGA [J].Industrial Control Computer，2007，20（7）:33－34.

[6]荊蕾，黃惟公，徐鵬，等.基于GPIF的高速數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2007（12）：23－24+27.

JING Lei，HUANG Wei-gong，XU Peng，et al.A design of high speed sampling based on GPIF[J].Instrumentation Technology，2007（12）:23－24+27.

[7]李英偉，王成儒，練秋生，等.USB2.0原理與工程開(kāi)發(fā)[M].2版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.