基于FPGA软核的高速数据采集系统设计

数据采集在现代工业生产及科学研究中的重要地位日益突出，同时对实时采集、实时传输、实时处理的高速数据采集的要求也不断提高。此外，对于不同的场合，数据采集系统的数据采样参数要求也不同。工业生产与科研领域中对数据采集研发提出了以下的要求：(1)接口简单灵活且有较高的数据传输率；(2)采集器体积小、抗干扰能力强、能够对数据做出快速的存储，并及时进行分析和处理；(3)设计周期短，能快速适应市场需求。
USB2.0以其即插即用、支持热插拔的灵活性，以及高达480 Mb/s的传输速率，成为了高速数据传输接口的首选。而FPGA以其工作频率和集成度高、稳定性良好、抗干扰能力强等优点，逐步成为各领域数据采集数字电路的首选。FPGA集成软核有设计周期短、设计投入少等优越性，且不涉及具体的物理实现，可以方便移植到各种FPGA硬件平台，极大提高了它的灵活性和适应性。
1 系统方案与结构
　数据采集系统性能指标修改主要集中在A/D转换模块与FPGA控制模块上，在USB2.0接口的硬件、固件、驱动程序的设计以及PC机应用软件的设计基本没有变化。而A/D转换模块的修改可以通过A/D转换芯片的选择及更改输入信号调理电路设计来实现。但更换不同的A/D转换芯片可能给A/D转换的启停控制、数字信号的缓存等方面带来较多的改动。而FPGA软核的模块化设计可以极大地减少这方面的改动。
　本文以TI公司的低功率高性能A/D转换芯片ADS800为例介绍系统的设计。图1为本数据采集系统的结构框图。模拟信号经过THS4504全差分放大器进行信号差分放大后，输入到ADS800进行A/D转换。为减少不同系统中FPGA软核改动的工作量，FPGA内部按功能设计了三个软核作为系统的控制单元。CY7C68013作为USB控制芯片设置为从属FIFO模式(Slave FIFO Mode)，负责数字信号在采集系统与PC机间的传输；用户通过LabVIEW设计的PC机应用软件，在驱动程序的驱动下与数据采集系统进行命令以及数据的传输，以便对数据采集系统采集到的数据进行实时处理。

2 系统硬件设计
2.1 模数转换电路
　数据采集系统采样参数调整的本质在于模数转换电路的改变，设计者只需要更换不同的A/D转换芯片、重新设计其硬件电路即可达到目标。本系统中模数转换电路由信号调理电路与高速A/D转换器组成。信号调理电路负责对待测模拟信号进行差分放大，高速A/D转换器负责模拟信号到数字信号的转换。
　为了能精确检测微弱信号，数据采集系统的ADC前加入了全差分放大器THS4504，采用ADS800作为A/D转换芯片。ADS800含12 bit流水线型A/D转换内核，支持差分输入，最高转换速率高达40 MHz[1]，极好地满足了本系统采样频率的要求。
2.2 FPGA芯片外围电路
　本系统FPGA采用Xilinx公司的XC3S200AN-4-FT256-C芯片。该芯片拥有20 万门逻辑单元，内含16 个18 KB的块存储器(Block RAM)与30 KB分布存储器(Distributed RAM)，最高工作频率达到326 MHz[2]，可满足本系统的时序需求。
　FPEA芯片外围电路：
　(1)FPGA与A/D接口模块
    ADS800的控制信号由FPGA生成，ADS800的转换时钟设定为30 MHz，由FPGA的时钟分频获得。FPGA与ADS800的连接示意图如图2所示。本设计中，FPGA通过ADC_OE来控制ADS800转换数据输出的启停；ADS800的30 MHz工作时钟由FPGA的60 MHz工作时钟经过二分频得到；ADS800的数据由并口输出，FPGA内部FIFO控制单元将接收到的12 bit数据转换成16 bit数据存入FPGA内的FIFO中。

　当更换不同的A/D转换芯片时，A/D转换芯片与FPGA的连接有所不同。但对于并行输出、流水线型的A/D转换芯片，只需模仿上述连接方式，对输出位数、控制时序以及FPGA时钟分频大小等做合适的修改即可。
　(2)FPGA与USB接口模块
　本设计中使用Cypress公司生产的EZ-USB FX2LP系列的CY7C68013芯片作为USB2.0协议的微控制器芯片。由于该芯片支持480 Mb/s高速传输，为本设计数据传输提供了速率保证。FPGA与CY7C68013的连接图如图3所示。

　
　FLAGA、FLAGB脚可通过PINFLGSAB、PINFLAGSCD寄存器来选择其工作在索引模式还是固定模式。本设计中被设置为固定模式。其中FLAGA表示EP2的空状态(FIFO_EMPTY)，FLAGB表示EP6的满状态(FIFO_FULL)。
2.3 USB接口外围芯片电路
　本设计使用容量为16 KB的EEPROM芯片AT24C016A存储，并设置CY7C68013的VID与PID。在CY7C68013上电并脱离复位状态后，内部逻辑会检查I2C端口上是否连接有串行EEPROM。如果有，则判断连接上的EEPROM第一个字节是0xC0还是0xC2。本设计中设置EEPROM第一个字节为0xC0，设置VID=0x1234、PID=0x2211、DID=0x0001。在这种情况下，由CY7C68013内核提供USB描述符，使用EEPROM存储的VID/PID/DID值替换CY7C68013内部的值，并设置RENUM=0。这样，在设备重新列举后，芯片内的程序代码会以全新的自定义设备来加以呈现。
3 FPGA软核设计
　FPGA内部控制单元的功能分别由三个软核负责完成，分别为：ADC接口控制单元、FIFO控制单元以及USB接口控制单元。三个软核连接示意图如图4所示。

3.1 ADC接口控制单元
　ADC接口控制单元控制数据采集的启停和传输。数据采集开始时，ADC接口控制单元将时钟信号分频为30 MHz供ADS800作转换时钟ADC_CLK使用。此时控制单元内寄存器CLK_CNT对ADC_CLK转换时钟进行周期计数，当经过7个时钟周期后(ADS800转换延时为6.5个时钟周期，为了使转换数据稳定，本设计再延时半个时钟周期输出)即CLK_CNT=8时，CLK_CNT清零，FIFO写时钟(FIFO_WR_CLK)输出，同时端口FIFO_WR_EN置高电平，经ADC转换完成的数据在补齐16 bit后，随时钟FIFO_WR_CLK上升沿存入FIFO中。ADC接口控制单元状态机工作过程如下：
　(1)当FPGA上电或者复位后，状态机进入空闲状态(IDEL)。
　(2)在空闲状态下，当FIFO不满(FIFO_FULL=0)且ADC_START=1时，状态机进入转换状态(CONVERT)，此时，ADC_CLK输出ADC数据转换时钟。
　(3)在转换状态下，当FIFO_WR_EN=1，即数据转换延时结束时，状态机进入写状态(WRITE)，此时CLK_CNT清零，ADC_OE和FIFO_WR_EN都置为高电平，FIFO_WR_CLK输出FIFO写时钟。
　(4)在任何状态下，如果FIFO已经写满(FIFO_FULL=1)或者ADC_START=0时，自动跳转到空闲状态。
ADC接口控制单元状态机示意图如图5所示。

3.2 FIFO控制单元
　本设计首先使用FPGA内部Block RAM生成FIFO。由于A/D接口控制单元输出数据宽度为16 bit，因此，FIFO宽度也设置为16 bit，深度设置为4 KB。FIFO可以使用Xilinx ISE套件中的Core Generator生成器，由Core Generator生成的FIFO软核配合控制部分构成FIFO控制单元。FIFO控制单元内部结构示意图如图6所示。
由于本设计中数据采集系统处于异步从属FIFO模式，且USB接口芯片读数据的速度与ADC数据写入FIFO的速度不同。为解决因读写速度不同而可能带来的数据读写错误问题，FIFO软核上的FULL与EMPTY两信号线可以分别指示FIFO满与空的状态。当FIFO处于满状态时，FIFO_FULL信号置高电平，由ADC控制单元通知ADC停止采集数据；当FIFO处于空状态时，FIFO_EMPTY信号置为高电平，由USB接口控制单元通知USB接口芯片停止读FIFO。FIFO的读时钟信号(FIFO_RD_CLK)与读使能信号(FIFO_RD_EN)由USB接口控制单元提供，写时钟(FIFO_WR_CLK)与写使能信号(FIFO_WR_EN)由ADC接口控制单元提供。FIFO控制单元的工作有以下两种特殊情况：

　(1)在没有来自PC机的控制命令情况下，如果FIFO_RD_EN=1，则FD[15：0]的数据传输方向为从FPGA到USB接口芯片(图6表示为FD_OUT[15：0])，即数据从FIFO输出至USB接口芯片；如果此时FIFO_RD_EN=0，则FD[15：0]呈高阻态。
　(2)当有来自PC机的控制命令时，FD[15：0]的数据传输方向为从USB接口芯片到FPGA(图6表示为FD_IN[15：0])，即PC机的控制命令写入到USB接口芯片，再传输到FPGA内部命令分析器中。此时，命令分析器会根据命令控制ADC_START信号，进而控制ADC数据采集的启停。
　无论在上述哪种情况下，如果FIFO_CLEAR=0、 FIFO_WR_EN=1且FIFO_FULL=0时，FIFO_WR_CLK都有相应的时钟信号输入，此时ADC转换完成的数据随写时钟通过ADC_DATA[11：0]写入FIFO中。
3.3 USB接口控制单元
　USB接口控制单元主要完成两种功能：(1)通过USB接口芯片实现把数据传输到PC机。此时FIFO中的数据先写入EP6，当EP6写满时，USB接口芯片自动将数据打包传输到PC机。(2)协助FIFO控制单元接收来自PC机的命令数据。此时命令数据从PC机通过USB接口传输到EP2，然后读取EP2的数据到FIFO控制单元的命令分析器中。USB接口控制单元状态机工作如下：
　(1)当FPGA上电或者复位后，状态机进入空闲状态(IDEL)。
　(2)在空闲状态下，当EP2不空(EP2_EMPTY=0)时，进入读命令状态(READ_COMMAND)，此时令EP_ADDR[1：0]=00，FD[15：0]的传输方向由EP2指向FPGA，控制单元从EP2中读出PC机传来的控制命令。
　(3)随后进入存储命令状态(SOTRE_COMMAND)，控制单元把传来的控制命令存储到FIFO控制单元内部的指令分析器中。同时控制单元置FIFO_CLEAR=1，即把FIFO控制单元内的FIFO数据清空，以准备存储新的ADC转换数据。任务完成后回到空闲状态。
　(4)优先处理PC机通过EP2传来的命令，因此优先查看EP2的空状态。在空闲状态下，当EP2为空(EP2_EMPTY=1)且FIFO控制单元内FIFO不为空(FIFO_EMPTY=0)且EP6不满(EP6_FULL=0)时，进入写数据状态(WRITE_DATA)。在写数据状态下，EP_ADDR[1：0]=10，控制单元选中CY7C68013的EP6，FD[15：0]方向由FPGA指向EP6，同时FIFO_RD_CLK产生一个周期时钟，FIFO_RD_EN置为高电平，一个数据从FIFO控制单元内FIFO中读出。
　(5)随后进入传输数据状态(TRANS_DATA)。在该状态下，令SLWR=0，数据从FIFO控制单元内FIFO写入CY7C68013的EP6中。任务完成后进入空闲状态。
　USB接口控制单元状态机示意图如图7所示。

4 USB接口芯片程序设计
4.1 USB固件程序
　固件程序是一种嵌入在硬件设备中的软件，通过执行固件程序，硬件设备可以完成各种特定的功能。在本设计中，CY7C68013芯片的固件程序是整个系统传输的控制核心，主要完成以下五种功能：(1)CY7C68013芯片的初始化；(2)辅助硬件完成设备的重新枚举；(3)中断处理；(4)数据接收与发送；(5)对外围电路进行控制。
Cypress公司为提高用户的开发效率，提供了EZ-USB FX2LP开发套件，其中包含了一个完整的固件程序架构[3]。该架构主要包含了EZ-USB FX2LP芯片的设备初始化、处理标准USB设备请求与电源管理等服务功能。用户在开发时，只需使用Keil uVision3在固件架构下提供相应的USB描述符以及编写外部设备功能程序代码。固件架构流程图如图8所示。

　主函数是固件架构流程的具体实现。主函数首先对内部状态变量进行初始化，随即调用TD_Init()进行用户设备初始化，TD_Init()函数运行完成后，使能中断，随后进入主循环。
4.2 USB驱动程序设计
　USB驱动程序位于固件程序与应用程序之间，是USB设备与PC机的通信接口。Cypress公司为用户设计了一款通用驱动程序包(ezusb.sys)，可以完成应用程序与USB接口的通信与控制任务。本设计即使用该通用驱动程序。
5 应用程序设计
　应用程序通过USB驱动程序与USB接口进行通信。本设计使用LabVIEW设计应用程序。LabVIEW为用户提供了简单、直观、易学的图形编程法，相比于传统的编程语言，LabVIEW能大量地节省开发时间。用户通过LabVIEW应用程序可以进行对数据采集系统的控制，而且采集到的数据在控制界面中实时显示。
　本文介绍了一款较为通用、基于USB2.0接口的高速数据采集系统设计方法，通过FPGA软核在数据采集系统中的应用，解决了硬件电路设计繁琐复杂的问题，而且便于开发者对产品进行修改优化，可以大幅度地缩短产品的开发时间。本系统通过了硬软件的联合调试，系统工作正常，稳定性良好。
参考文献
[1] Xilinx Corporation. Spartan-3AN FPGA family data sheet. 2009.
[2] Cypress Semiconductor Corporation． EZ-USB FX2 CY7C68013 technical reference manual version2.2. 2003.
[3] 钱峰．EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2006.