一种高速实时数据采集系统的设计方案

0 引言

目前USB 已广泛应用于数据采集系统，现阶段使用较多的是USB 2.0 规范。随着测试测量要求的不断提高，USB 2.0 已逐渐难以满足要求。新的USB3.0 规范很好的解决了USB 2.0 中存在的一些局限，非常适用于现代测试测量系统。

1 USB 2.0 的性能与局限

通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是目前应用极为广泛的一种系统总线，大量应用在测试测量领域。目前应用最广泛的是USB2.0 标准，具有最高480Mbps 的通信速率。但同时USB2.0 标准也存在着以下不足：

1) 半双工通信

USB2.0 采用半双工通信，同一时间只能有一个方向的数据传输，在需要双向高速数据传输的场合往往难以满足要求。

2) 需要主机调度

USB2.0 标准在传输调度上采用主从结构，需要计算机首先发起IN Token 或OUT Token,USB 设备才能进行数据传输，一次数据传输完成后，又必须等待下一个Token,大大制约了数据传输的实时性。

3) 通信速率相比于竞争对手不高

USB 的竞争对手有1394 和eSATA 等，较新的1394b 标准数据传输速度达到了800Mbps,几乎比USB2.0 HS 高一倍。而eSATA的数据传输速度更高。

2 USB 3.0 SS(SuperSpeed)标准简介

为了加强USB 的性能和竞争力，USB 联盟推出了新的USB 3.0SS(SuperSpeed)标准。该标准使用两条差分链路实现了全双工通讯，速率达到了5.0Gps,不但高于1394b 标准，与eSATA 相比也同样具有竞争力。

USB3.0 在2.0 的基础上新增加了2 对差分链路，专门用于传送SS 差分信号。主机侧接口的机械特性和USB 2.0 兼容，而设备侧使用了新的接口形式，以容纳新增的两对差分信号线。USB2.0 接口的B 型连接器可以插入USB 3.0 的设备端，此时设备工作于USB 2.0 模式下;但USB 3.0 的B 型连接器无法插入USB 2.0的设备端。

除此以外，USB 3.0 的总线供电能力达到1A,使其可以用于移动硬盘等耗电量较大的设备，而不必另外配备外接电源。

3 CYUSB3014 芯片介绍

CYUSB3014 是USB 业界的领头羊Cypress 公司出品的USB3.0 控制器，该款控制器集成了200MHz 的ARM9 控制器、512K 字节的RAM和USB 3.0物理层，具有可编程的100MHz GPIF II接口。

图1 是该芯片的逻辑框图。该芯片可用于数字摄像机、数据采集、测试测量设备等多个领域。

4 系统硬件设计

本系统中，使用了一片AD6644 作数据转换。这是AnalogDevice 公司生产的14 位高速ADC,最高采样速率达到40Msps.

整个系统的功能框图如图2 所示。

图中，传感器将外部信号变换为电信号;放大滤波部分将传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波处理，以去除外部干扰;AD6644 在FPGA 的控制下对放大滤波后的信号进行采集和转换;FPGA 读取AD 输出，并按照CYUSB3014 的GPIF II 接口规范将该数据写入芯片内部的FIFO.此外，FPGA 还可以根据当前信号特性调整放大滤波电路参数，以获取更优的信噪比。

5 GPIF II 接口与FPGA 程序设计

在整个硬件系统中，FPGA 与CYUSB3014 之间的数据传输速度是决定整个系统性能的关键。Cypress 在GPIF 的基础上设计 了可编程GPIF-II 接口，该接口可工作于主控或从属方式，支持32 位数据总线，接口频率最高可达100MHz,有异步和同步两种时序。在本系统中，为了达到更高的数据传送效率，根据GPIF-II 接口时序，编写了相应的FPGA 程序，实现了在FPGA 和CYUSB3014之间的高速数据传输。实测结果表明，FPGA 和CYUSB3014 之间的数据传输速度最高达到了200Mbytes/s,完全满足本系统要求。下文是数据传输状态机的部分代码：

6 USB 固件设计

CYUSB3014 集成了一片ARM9 核心的处理器，完成USB 初始化、枚举、数据传输管理等工作。固件开发使用开源的gcc 编译器和Eclipse 集成开发环境，下面是用于管理数据传输的部分代码：

7 上位机驱动和软件设计

Cypress 提供了基于WDF 的驱动程序模块，WDF(WindowsDriver Foundation)是microsoft 推行的驱动开发框架，用来替代之前的WDM 框架。WDF 框架对WDM 进行了封装和继承，与WDM相比，WDF 框架的驱动开发更简单方便，尤其是简化了电源管理和PNP(Plug and play)方面的工作量。根据该系统的实际需要，对驱动代码进行了修改并编写了应用程序，能够稳定可靠地采集数据，表明该系统满足了预期的设计要求。

8 结语

本文的高速实时数据采集系统的设计方案，首先对传感器输出信号进行放大滤波处理，然后将其转换为数字信号。实践证明，USB 3.0 在USB 2.0 的基础上大大提高了数据传输速率，实时性也有很好的增强，能够满足高速实时数据采集的要求，在数据采集和测试测量领域必将大显身手。