基于FPGA 與USB2.0 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

朱瑩

摘 要：隨著計算機(jī)技術(shù)和電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在航空航天、監(jiān)測偵察、通信等眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度、精度、易操作性以及實時性的要求也在不斷地提高。該文設(shè)計了基于FPGA與USB 2.0技術(shù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并通過對系統(tǒng)性能的測試，驗證了該系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)，即不僅能實現(xiàn)一般用途的數(shù)據(jù)釆集并且還實現(xiàn)了系統(tǒng)的高速化、高集成化和低功耗等工作。

關(guān)鍵詞：FPGA 圖像傳感器 SDRAM存儲器 USB2.0

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0017-03

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展尤其是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域，人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度、精度、易操作性以及實時性的要求不斷提高。USB作為一種新型串口通信標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸速率高、可靠性高、成本低、支持即插即用使用靈活等特點；FPGA結(jié)構(gòu)靈活、開發(fā)周期短、對實時信號處理非常的適用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、圖像處理等諸多領(lǐng)域。該系統(tǒng)設(shè)計基于FPGA與USB 2.0的數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、便于數(shù)據(jù)的傳輸?shù)葍?yōu)點，具有良好的實用價值和廣泛應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計思想

該系統(tǒng)設(shè)計以FPGA為控制器，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制，并預(yù)期目標(biāo)。FPGA控制電路主要用于實現(xiàn)對圖像傳感器、SDRAM芯片對數(shù)據(jù)的緩存以及對USB芯片的控制以及對接收數(shù)據(jù)的緩存處理。SDRAM存儲電路主要完成采集到的數(shù)據(jù)存儲，上電時將程序加載到FPGA中，USB數(shù)據(jù)傳輸電路完成數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸，完成與上位機(jī)的正常通信，即將采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 總體框圖

2.2 芯片的選擇

該系統(tǒng)采用 Cyclone II 的 EP2C8Q208C8 這款 FPGA 芯片，該芯片選用了 208 管腳的 PQFP 封裝，它內(nèi)部具有 8256個邏輯單元，18個乘法器，2個鎖相環(huán)，總引腳 208個，用戶可用引腳達(dá)到了 182個。該芯片內(nèi)部帶有乘法器可用于完成高速乘法操作，使得數(shù)字信號處理能力得到了增強(qiáng)[1]。

USB 2.0采用Cypress公司生產(chǎn)的CY7C68103芯片。CY7C68013A 內(nèi)部繼承了一個增強(qiáng)的 8051 內(nèi)核，它既與標(biāo)準(zhǔn)的 8051 兼容，又有諸多的改進(jìn)，最高工作頻率達(dá)到了48MHz，一個指令只需 4個時鐘周期，比標(biāo)準(zhǔn)的 8051平均提高了2.5倍可實現(xiàn)與高速外圍設(shè)備的邏輯連接和高速數(shù)據(jù)傳輸并具有接口設(shè)計簡單、價格低等特點滿足設(shè)計需求[2]。

CMOS圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率和靈敏度比CCD效果好，在消耗的功耗相同的情況下CMOS攝像頭得到的增益大，CMOS攝像頭的電路集成度高、控制簡單、并且處理速度快，CMOS攝像頭使得系統(tǒng)微型化、耗電量是CCD攝像頭的1/8等優(yōu)點，因此該系統(tǒng)采用的是Omni Vision公司的CMOS圖像傳感器OV7620芯片。

2.3 硬件框圖

FPGA驅(qū)動OV7620的框圖，其驅(qū)動包括兩部分，第一部分是使用Verilog語言建立I2C總線模塊對OV7620初始化，第二部分是建立采集模塊按照行、場同步信號，像素時鐘信號的時序?qū)V7620攝像頭進(jìn)行圖像采集。

該設(shè)計利用 FPGA 作為外部主控制器實現(xiàn)對USB 2.0 接口芯片 CY7C68013 的 Slave FIFO 模式下，對USB 內(nèi)部的 FIFO 進(jìn)行控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。該模塊可普遍適用于基于 USB 2. 0 接口的高速數(shù)據(jù)傳輸[3]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 USB 固件程序設(shè)計

固件程序就是指固化在單片機(jī)中且能夠運行的程序，系統(tǒng)中的單片機(jī)是指USB芯片，該設(shè)計的固件程序主要功能就是輔助硬件系統(tǒng)工作，完成對設(shè)備的初始化工作，處理應(yīng)用程序和驅(qū)動程序發(fā)送的各種命令和數(shù)據(jù)交換。

固件的初始化功能：硬件系統(tǒng)上電后，所有的寄存器配置都恢復(fù)到出廠時的狀態(tài)，為了完成實際設(shè)備系統(tǒng)所需要的功能，必須對各種寄存器的初始值和設(shè)備所需要的設(shè)備屬性進(jìn)行初始化設(shè)置。

該設(shè)計采用Slave FIFO模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)高速傳輸，配置數(shù)據(jù)接收端點為Slave FIFO模式，CPU不再參與數(shù)據(jù)的傳輸，端點FIFO接收到FPGA控制器傳輸數(shù)字信號后，等待PC讀取，USB芯片只作為一個數(shù)據(jù)傳輸通道。

3.2 WDM驅(qū)動程序設(shè)計

WDM（Windows Driver Mode Windows驅(qū)動程序模型）驅(qū)動程序?qū)儆赪indows操作系統(tǒng)的內(nèi)核模式，遵循Win32驅(qū)動程序模型，在主機(jī)應(yīng)用程序和物理設(shè)備之間采用靈活的分層驅(qū)動方式，支持更多特性，如即插即用，電源管理。

WDM驅(qū)動程序的功能是通過特定的例程來實現(xiàn)的，不是通過任意例程都能夠?qū)崿F(xiàn)的。面對不同的情況，主機(jī)程序或操作系統(tǒng)只是根據(jù)相對應(yīng)的例程進(jìn)行觸發(fā)，從而對不同的操作進(jìn)行完成，實現(xiàn)功能要求。典型WDM驅(qū)動程序的構(gòu)成框架如圖4所示。

（1）入口例程：它是所有驅(qū)動程序進(jìn)入的入口，而且實現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動功能在加載時對操作系統(tǒng)I/O管理器進(jìn)行調(diào)用，其主要作用是對WDM驅(qū)動程序進(jìn)行初始化，這是驅(qū)動程序所必須的。

（2）分發(fā)例程：主要有Creat（）函數(shù)、Read（）函數(shù)以及IOCTL（）函數(shù)等，主要功能是對用戶發(fā)出的各種I/O請求進(jìn)行處理。

（3）即插即用例程：設(shè)備與PC機(jī)連接時，PC機(jī)的操作系統(tǒng)會自動進(jìn)行處理，如識別、選擇以及加載合適的驅(qū)動程序；設(shè)備從PC拔出時，PC機(jī)的操作系統(tǒng)也會進(jìn)行相應(yīng)的處理，如清除工作。

（4）卸載例程：主要是針對驅(qū)動程序卸載的處理。

（5）電源管理例程：主要是針對電源管理請求的處理。

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計

應(yīng)用程序是用戶與系統(tǒng)的接口，外接硬件設(shè)備的控制和通信主要就是通過它來實現(xiàn)的，所以應(yīng)用程序首先要建立與外設(shè)的連接，然后才能實施數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié)語

該文設(shè)計了基于FPGA和USB 2.0兩種技術(shù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體設(shè)計方案不僅具有 FPGA技術(shù)的易擴(kuò)展性、低功耗、低成本等特點，還具有 USB技術(shù)即插即用的特性，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有一定的實用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐玉蓉.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

[2] 闕濱城.基丁-USB接口的高速信號采集系統(tǒng)設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[3] 劉巍.基于USB接口和FPGA的多通道數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)的研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心），2011.