利用USB2.0技术的高速双路数据采集系统

摘要：本文设计了一种基于USB2.0芯片CY7C68013和Maxim公司的高速并行模数转换芯片MAX1195的高速双路数据采集系统，采用EZ-USB FX2 的特有的GPIF(General Programmable  Interface)传输方式，彻底打破了8051CPU对USB2.0传输速率的瓶颈，同时避免了使用其他微处理器或者CPLD、FPGA等的硬件开支。本文详细介绍了该数据采集系统的硬件组成和软件设计，包括单片机CY7C68013的固件设计和计算机主机用户程序。通过与高精度激光纵模分析仪的连接调试，证明该系统已经达到了既定目标。
　　1．引言

　　近年来，USB接口由于其传输速率高，真正的即插即用等优点正在逐渐取代传统的计算机接口如：RS232，EPP等。目前，许多的芯片生产商都推出了符合USB协议的芯片，如Philips公司的PDIUSBD12，NS公司的USBN9602等。在众多的USB2.0芯片中，Cypress公司的EZ-USB FX2(CY7C68013)芯片是一个不错的选择。本文设计了一种基于EZ-USB FX2和MAX1195的数据采集系统，该系统符合USB2.0协议标准，通过与高精度激光纵模分析仪连接进行调试，证明该系统达到了预定目的。

　　2. CY7C68013芯片和MAX1195芯片介绍

　　2.1 CY7C68013介绍：

　　CY7C68013在一块芯片上同时集成了USB2.0收发器，串行接口引擎SIE，增强型的8051微控制器以及一个可编程外围接口GPIF(General Programmable Interface)。CY7C68013的“量子FIFO”(FIFO，先进先出存储器)特性使得无需8051CPU的任何干预，数据即可从外设上传到主机，这种数据传输模式彻底解决了USB2.0收发器与一般8051微控制器连接时由于8051的时钟频率低而导致的传输速率瓶颈问题。CY7C68013芯片的另一个突出优点是其“‘软’配置”，代码和数据能够直接通过USB接口下载到片内的RAM上，这一功能通过Cypress公司独创的“重枚举”(ReNumerationTM)功能实现。CY7C68013芯片有四个可编程的批量、中断、同步传输端点，可以分别设置为双缓冲，三缓冲和四缓冲模式，8位或者16位的外部数据接口，该接口可以根据需要工作在 GPIF或者SLAVEFIFO模式。其中GPIF能够和绝大部分并行接口如FIFO等实现“无胶”连接，即无需外加任何微控制器或CPLD、FPGA 等。本文的设计中采用了GPIF方式。

　　2.2 MAX1195介绍：

　　MAX1195是由MAXIM公司推出的一款低功耗、双路、高速、八位模数转换芯片，采用流水线(Pipeline)结构，最高采样率40Mbps，内部集成了两个 ADC，真正实现两路同步采样转换。其工作电压范围是2.7V-3.6V，具有减小功耗的休眠模式和关断(Shut-Down)模式，单端或者差分输入方式，片上采样保持(T/H)电路，内部或者外部参考电压，含有用户可选择的数据输出格式：二的补码格式或者补偿二进制码格式，具有输出使能控制，可以将输出置为高阻态。此外MAXIM还提供了与MAX1195引脚、封装完全兼容的10位、更高采样率的模数转换芯片，如MAX1197、MAX1198等，因此系统升级非常方便。在本文的工作中，采用了内部参考电压、双路单端模拟输入、补偿二进制码输出格式。

　　3．系统整体构成及其工作原理介绍：

　　3.1系统构成：

　　系统的整体框图如图1所示。整个系统主要包括USB传输芯片CY7C68013,先进先出存储器(FIFO)SN74V235和模数转换芯片MAX1195组成。反相器74LVC04主要起MAX1195和FIFO之间的逻辑控制作用。

　　图1       系统整体框图

　　3.2系统工作原理：

　　MAX1195的两路输入信号是同时被采样的，十六位的数据输出总线使两路数据可以同时输出，分别占八位，即：D0A~D7A和D0B~D7B；SN74V235输入为18位，根据CMOS技术的要求，将未使用的D16和D17引脚接地。MAX1195采集到的数据首先送进FIFO里， FIFO的写时钟(WCLK)和AD的转换时钟反相，这样可以充分满足MAX1195输出数据的建立时间，避免发生数据丢失或者数据重复写入现象。 SN74V235的 (Programmable Almost Full)可编程几乎满信号经74LVC04反相后接MAX1195的Sleep和 引脚，以免FIFO发生溢出而丢失数据。SN74V235的数据输出引脚Q0~Q15与CY7C68013的GPIF模式下的数据线FD[15:0]即端口B和端口D组成的十六位数据总线相连，数据SN74V235到EZ-USB FX2的时序过程由CY7C68013的GPIF 控制。FX2采用了“量子FIFO”结构，在FX2里面，数据可以分为两个域：USB域和GPIF接口域。这两个域是独立的，允许分别使用不同的时钟和逻辑控制数据的传输，USB域是由SIE控制的，SIE通过USB口接收或者发送端点FIFO的数据。FX2的“量子FIFO”能够几乎不花时间在这两个数据域中的转移数据，因为这两个域用的FIFO在物理上是同一个。所以根据“量子FIFO”原理，实际上数据已经存在于属于USB域的端点FIFO里面了，采用USB的BULK传输方式，使该数据完全不经过低频CPU干预，而是采用FX2提供的AutoIn模式，即一旦FX2端点缓冲区的数据达到指定字节数，数据将自动被打包从USB口上传到主机。

　　3.3 GPIF波形及程序介绍：

　　GPIF是FX2的端点FIFO的片内控制器，可以完全代替片外的控制器而实现FX2与外围FIFO的“无胶”连接。GPIF的核心是一个可编程状态机，可以产生六个“控制”(CTL)和九个“地址”(GPIFADR[8:0])信号，可以接收六个外部(RDY)“准备好”输入，八位或者十六位数据总线，时钟可以用FX2的IFCLK，也可以由外围提供。本文GPIF接口的详细硬件连接如图2所示。

　　图2  GPIF与SN74V235详细连接图

　　GPIF状态机可以定义四个波形描述符，一般情况下是：FIFO读，FIFO写，单字/字节读，单字/字节写。Cypress提供了图形化的波形描述工具GPIF Designer，用户只需要给出GPIF波形，GPIF Designer会自动生成C语言的波形代码Gpif.c，可以直接链接到用户的固件程序中。本文中用到了FIFORd描述符，波形如图3所示。

　　图3      GPIF Designer设计的 FIFORd波形

　　4.系统软件编写

　　系统软件主要包括三个部分：下位机CY7C68013的固件，USB驱动程序和上位机主机应用程序。

　　4.1 固件程序编写

　　对于下位机CY7C68013的固件编写，Cypress公司给出了在Keil C51下的固件程序框架，固件框架完成EZ-USB FX2的初始化、USB标准设备请求处理、USB挂起模式下的电源管理服务和USB中断处理。Cypress还提供了函数钩子来加速用户代码的添加。用户只需要简单地提供一个USB描述符表和执行外围功能的代码即可。

　　4.2 驱动程序编写

　　Windows系统下的USB驱动包括三层，从高到低依次是：USB客户端设备驱动(USB Client Device Driver)、USB总线驱动(USB Hub(Bus) Driver)、主机控制器驱动(Host Controller Driver)。后两者由Windows系统提供，用户只需要开发USB客户端设备驱动程序，Cypress公司提供了一个通用的驱动程序 (General Purpose Driver)，即ezusb.sys，一般情况下，该驱动程序可以满足FX2开发者的需要。本文使用了Cypress公司的通用驱动 ezusb.sys。为了使用ezusb.sys，用户必须编写对应的inf文件，inf文件将特定的USB设备绑定给相应的驱动程序，该inf文件参照 ezusbw2k.inf编写。

　　4.3 主机应用程序编写

　　通用驱动程序GPD即ezusb.sys提供了基本USB设备请求和数据传输的用户模式接口，用户模式应用程序通过Win32函数 DeviceIoControl()给设备驱动器发送请求。Ezusb.sys提供了基本设备请求、批量读写、同步读写等一系列IOCTL函数。这里以 IOCTL_EZUSB_BULK_READ（EZUSB批量传输）为例加以介绍。

　　批量传输模式下读FX2的端点FIFO的关键代码如下：

　　DWORD  ioctl_val=IOCTL_EZUSB_BULK_READ;  //设置从设备中读数据

　　Bresult=DeviceIoControl ( hDevice , ioctl_val ,  //从设备读数据

　　&bulkControl ,      //端点号

　　sizeof ( BULK_TRANSFER_CONTROL),  //传入参数的大小

　　buffer ,  //读数据的缓冲区

　　length ,  //读数据的长度

　　(unsigned long *)&nBytes , //驱动返回的数据的实际长度

　　NULL);

　　限于篇幅，其他程序代码从略。

　　6．结束语

　　本文的创新点是充分发挥了CY7C68013的优势，利用FX2的内部可编程状态机GPIF实现了与外围FIFO“无胶”连接，避免了使用外围ASIC或者CPLD、FPGA等的麻烦，系统升级方便。整个电路结构紧凑，占用面积小，便于携带。

　　本文采用Cypress公司的USB2.0芯片CY7C68013设计了一种通用的高速双路同步数据采集系统，通过将其与高精度激光纵模分析仪连接进行试验，证明该系统实现了数据的高速实时传输，达到了预先设计的目标。随着USB口的进一步普及和计算机的发展，本文设计的这种USB数据采集系统必将得到更加广泛的应用。