摘 要： 介紹了一種用于汽車姿態(tài)測量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)基于FPGA+USB架構(gòu)，采用FPGA控制整個(gè)系統(tǒng)的采集時(shí)序， USB芯片作為數(shù)據(jù)采集通道，上位機(jī)完成姿態(tài)解算和數(shù)據(jù)顯示功能。
    關(guān)鍵詞： FPGA；USB；數(shù)據(jù)采集

 　　現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究對采集系統(tǒng)的要求日益提高。傳統(tǒng)的采集卡速度慢、處理功能簡單、采用分立元件、電路非常復(fù)雜；而且可靠性差、不易調(diào)試、不能很好地滿足特殊要求。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是專用集成電路中集成度最高的一種，用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶所需邏輯功能。用戶對FPGA的編程數(shù)據(jù)放入芯片，通過上電加載到FPGA中，對其進(jìn)行初始化；也可在線對其編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線重構(gòu)[1]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用USB2.0 CY7C68013通信接口芯片作為數(shù)據(jù)采集通道，由FPGA芯片EP1C6Q240C8N作為采集設(shè)備的控制單元，由PC機(jī)完成姿態(tài)的解算及結(jié)果的顯示。
1 系統(tǒng)的組成及原理
　　該采集系統(tǒng)主要由前端調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換控制模塊、SRAM存儲模塊及USB接口模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 FPGA主控器內(nèi)部模塊
2.1 A/D轉(zhuǎn)換控制模塊
　　A/D轉(zhuǎn)換模塊選用AD7685芯片。AD7685是Analog Device公司生產(chǎn)的一款16位、電荷再分配、高速、低功耗的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，具有250 kS/s采樣速率。芯片在Verilog編程語言的控制下，完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。
2.2 FIFO緩存
　　調(diào)用FPGA片上資源實(shí)現(xiàn)片上FIFO緩存，由于A/D采樣頻率與SRAM的讀寫頻率不一致，所以采用讀寫時(shí)鐘不同的FIFO，達(dá)到數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)換時(shí)鐘域的雙重目的。
2.3 SRAM乒乓緩存模塊
    選用2片IS61LV25616存儲芯片，該芯片存儲容量為256K×16，采用Verilog硬件描述語言控制實(shí)現(xiàn)乒乓緩存，控制過程如圖2所示。從片上FIFO輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)選擇開關(guān)后，分別進(jìn)入緩沖模塊1和緩沖模塊2。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入緩沖模塊1時(shí)，USB模塊從緩沖模塊2讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)數(shù)據(jù)寫入緩沖模塊2時(shí)，USB模塊從緩沖模塊1讀取數(shù)據(jù)以傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。

2.4 USB控制模塊
    USB接口芯片采用EZ-USB FX2(CY7C68013)，F(xiàn)X2作為USB2.0數(shù)據(jù)通道來實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的高速通信。FPGA能夠滿足Slave FIFO要求的傳輸時(shí)序[2]作為Slave FIFO主控制器。圖3分別給出了FX2與FPGA的接口圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

    同步Slave FIFO寫時(shí)序如下：
    IDLE：當(dāng)寫事件發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)到狀態(tài)1。
    狀態(tài)1：指向IN FIFO，激活FIFOADR[1：0]，轉(zhuǎn)向狀態(tài)2。
    狀態(tài)2：如果FIFO滿標(biāo)志為“假”(FIFO不滿)，則轉(zhuǎn)向狀態(tài)3;否則停留在狀態(tài)2。
    狀態(tài)3：傳送總線驅(qū)動數(shù)據(jù)，為1個(gè)IFCLK激活SLWR，轉(zhuǎn)向狀態(tài)4。
    狀態(tài)4：如果有更多的數(shù)據(jù)要寫，則轉(zhuǎn)向狀態(tài)2；否則轉(zhuǎn)向IDLE。
3 USB芯片固件程序及驅(qū)動程序
3.1 FX2的固件程序設(shè)計(jì)
    CY7C68013芯片固件程序負(fù)責(zé)處理PC機(jī)發(fā)來的各種USB請求，以完成主機(jī)與外圍電路間的數(shù)據(jù)傳輸。寫固件程序是比較復(fù)雜的，需要用到大量的函數(shù)，但其基本結(jié)構(gòu)卻相對簡單，包括下面3個(gè)過程[3]：
    (1)初始化：處理器和外圍電路的初始化。
    (2)主函數(shù)：完成符合設(shè)備特定要求的代碼。
    (3)中斷處理：處理各種中斷的程序代碼。
    Cypress公司的EZ-USB FX2開發(fā)套件提供給用戶1個(gè)固件函數(shù)庫(Ezusb.lib)和固件框架(Framework)，兩者均是基于KEIL C51進(jìn)行開發(fā)的。固件函數(shù)庫提供了一系列的函數(shù)來加速USB固件程序的開發(fā)，使用時(shí)只需在程序中包含EZUSB.H和EZREGS.H兩個(gè)頭文件，并在項(xiàng)目中鏈接Ezusb.lib，就可以直接使用固件庫中的各個(gè)函數(shù)[4]。
    在程序起始時(shí)，固件框架將執(zhí)行如下步驟：
    (1)首先設(shè)置所有的內(nèi)部狀態(tài)變量，即設(shè)置起始的初值。
    (2)調(diào)用用戶的初始設(shè)置函數(shù)TD_Init()，待返回后，固件框架會設(shè)置USB為未配置的狀態(tài)，并且使能中斷。
    (3)緊接著在1 s的間隔內(nèi)，開始重新列舉設(shè)備，并直到設(shè)置(SETUP)封包收到端點(diǎn)0為止。
    (4)一旦SETUP包被檢測到，固件程序結(jié)構(gòu)框架就開始進(jìn)行任務(wù)分配。任務(wù)分配就是依次重復(fù)地執(zhí)行下面的過程：
　  ①調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll()。
  　②檢測是否有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備請求，如果有，則執(zhí)行指令并做出相應(yīng)的操作。
    ③檢測USB核是否有USB掛起信號，如果收到，則調(diào)用用戶程序TD_Suspend()，從該函數(shù)成功返回后(返回值為TRUE)，再檢測是否發(fā)生USB喚醒事件。如果未檢測到，則處理器處于掛起方式；如果檢測到，則調(diào)用用戶程序TD_Resume()，程序繼續(xù)運(yùn)行。如果從TD_Suspend()返回為FALSE時(shí)，則程序繼續(xù)進(jìn)行。
    標(biāo)準(zhǔn)請求和vendor專用請求由框架分析和執(zhí)行。默認(rèn)情況下，對標(biāo)準(zhǔn)請求執(zhí)行USB規(guī)定的響應(yīng)，無論如何，框架提供交互的連接，以允許用戶程序處理或覆蓋指定的設(shè)備請求。EZ-USB中斷也交給框架進(jìn)行處理，任務(wù)循環(huán)的流程圖如圖4所示。

    在FX2芯片的固件程序設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的就是系統(tǒng)初始化TD_Init(void)[3-5]，下面是其部分代碼。

void TD_Init(void)    
{
    CPUCS=((CPUCS & ~bmCLKSPD)|bmCLKSPD1)；
                  //設(shè)置CPU時(shí)鐘頻率為48 MHz
    SYNCDELAY；  
                  //設(shè)置68013工作于Slave FIFO模式
    REVCTL=0x03；      
                  //必須設(shè)置REVCTL.0和REVCTL.1為1
    SYNCDELAY；
    IFCONFIG=0x43；     //工作于同步FIFO模式
    SYNCDELAY；         //配置各個(gè)端點(diǎn)的工作狀態(tài)
    EP2CFG=0xE8；       //端點(diǎn)2，IN，塊傳輸，1 024 B，4倍緩沖區(qū)
    SYNCDELAY； 
    EP2FIFOCFG=0x09；     //配置端點(diǎn)2工作于16位模式，自動接收IN令牌包
    SYNCDELAY； 
    PINFLAGSAB=0x00；   //定義FLAGA為可編程級標(biāo)志，F(xiàn)LAGB：FIFO滿標(biāo)志位
    SYNCDELAY；         //定義FLAGC為滿標(biāo)志，
    PINFLAGSCD=0x00；
    SYNCDELAY；         //一般不需要FLAGD
    PORTACFG=0x00；    //用PA7/FLAGD作為端口引腳，不作為FIFO標(biāo)志
    SYNCDELAY；
    FIFOPINPOLAR=0x00；      //設(shè)置所有FIFO接口引腳為低電平有效
    SYNCDELAY；
    EP2AUTOINLENH=0x02；    //端點(diǎn)2自動接收512B數(shù)據(jù)
    SYNCDELAY；
    EP2AUTOINLENH=0x00；
    SYNCDELAY；
                           //復(fù)位EP2的FIFO緩沖區(qū)
    FIFORESET=0x80；       //不接收主機(jī)發(fā)出的命令
    SYNCDELAY；
    FIFORESET=0x02；       //復(fù)位EP2的FIFO緩沖區(qū)
    SYNCDELAY；
    FIFORESET=0x00；              //恢復(fù)正常工作
    SYNCDELAY；
    Rwuen=TRUE；              //使能遠(yuǎn)程喚醒功能 
}
3.2 USB設(shè)備驅(qū)動程序
    USB設(shè)備驅(qū)動程序的主要功能是使Win32應(yīng)用程序能正確訪問本數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)備。本設(shè)計(jì)中將CY7C68013的固件代碼存放在上位機(jī)上，當(dāng)系統(tǒng)上電或USB連接時(shí)，再將它下載至芯片的RAM中，由增強(qiáng)型8051執(zhí)行。這一過程需要使用2個(gè)驅(qū)動程序：1個(gè)用于下載芯片的固件程序，另1個(gè)用于實(shí)現(xiàn)本數(shù)據(jù)采集卡的具體功能。也可以使用EZ-USB的通用驅(qū)動程序，很多USB芯片的廠商都為其USB芯片提供了通用驅(qū)動程序，可以滿足大部分系統(tǒng)的需求，用戶可在此基礎(chǔ)上直接進(jìn)行固件程序的開發(fā)[6]。
4 主機(jī)應(yīng)用程序
　　應(yīng)用程序主要負(fù)責(zé)讀取系統(tǒng)硬件所輸出的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，并實(shí)時(shí)顯示波形，所使用的編程語言為微軟的Visual C++6.0語言編寫的Win32應(yīng)用程序。
　　主要控件包括：采集控制組按鈕，USB組按鈕。采集控制組按鈕負(fù)責(zé)控制硬件系統(tǒng)是否進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并使用USB塊傳輸來讀取采集結(jié)果。USB組按鈕主要負(fù)責(zé)讀取該數(shù)據(jù)采集卡的USB設(shè)備描述符和配置描述符。
　　在該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，CY7C68013芯片靈活的接口和FPGA可編程特性簡化了外部硬件的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，且利于設(shè)備的生產(chǎn)與調(diào)度。事實(shí)證明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)和使用要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 嚴(yán)雪萍.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008(1-2)：209-211.
[2] 華清遠(yuǎn)見嵌入式培訓(xùn)中心.FPGA應(yīng)用開發(fā)入門與典型實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[3] 錢峰.EZ-USB FX2單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.
[4] 李英偉.USB2.0原理與工程開發(fā)(第2版)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.
[5] 張弘.USB接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.
[6] 薛園園.USB應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全[M].北京：人民郵電出版社，2007.