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具有USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)
摘要：討論基于USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)講述數(shù)據(jù)采集卡的硬件部分設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)要介紹固件程序、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：USB2.0 FPFO FPGA 固件程序 主從系統(tǒng)
引言
數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中的重要地位日益突出，并且實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集的要求也不斷提高。在信號(hào)測(cè)量、圖像處理、音頻信號(hào)處理等一些高速、高精度的測(cè)量中，都需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集�，F(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，這些采集卡存在很多缺點(diǎn)，比如安裝麻煩，價(jià)格昂貴，尤其是受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴(kuò)展性差。
通用串行總線USB是用來(lái)連接外圍設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的新式標(biāo)準(zhǔn)接口總線。它是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價(jià)的并可以實(shí)現(xiàn)熱拔插的串行接口。USB技術(shù)是為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和通信集成而提出的一種用于擴(kuò)充PC體系結(jié)構(gòu)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)�；赨SB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡，充分利用了USB總線的優(yōu)點(diǎn)，它也必將被越來(lái)越多的用戶所接受。
1 USB數(shù)據(jù)采集卡原理
1.1 USB簡(jiǎn)介
USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它支持在主機(jī)與各式各樣即插即用的外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它由主機(jī)預(yù)定傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在總線上的各種設(shè)備分享USB總線帶寬。當(dāng)總線上的外設(shè)和主機(jī)在運(yùn)行時(shí)，允許自由添加、設(shè)置、使用以及拆除一個(gè)或多個(gè)外設(shè)。USB總線技術(shù)的提出就是想利用單一的總線技術(shù)，來(lái)滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需要。USB1.1協(xié)議支持兩種傳輸速度，即低速1.5Mbps和高速12Mbps。為了在高速接口之爭(zhēng)中占有一席之地，2000年發(fā)布了USB2.0協(xié)議，它向下兼容USB1.1協(xié)議，數(shù)據(jù)的最高傳輸速率提高到480Mbps，這就使USB對(duì)打印機(jī)和其它需要快速傳遞大容量數(shù)據(jù)的外設(shè)更具吸引力。
為了滿足實(shí)際數(shù)據(jù)采集USB傳輸速度較高的需要，選擇了Cypress公司的內(nèi)置USB接口微控制器芯片EZUSB FX2系列，開發(fā)了具有USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡。
1.2 系統(tǒng)框圖
USB系統(tǒng)是一個(gè)主從系統(tǒng)，而非對(duì)等（peer-to-peer）系統(tǒng)。在主從系統(tǒng)中，命令是由主設(shè)備發(fā)出，而從設(shè)備只能接收命令，只有在主設(shè)備讀取數(shù)據(jù)時(shí)，從設(shè)備才能提交數(shù)據(jù)。如圖1所示，在USB控制器與外圍電路之間需要一個(gè)FIFO，來(lái)充當(dāng)數(shù)據(jù)的緩存區(qū)。那么，在USB從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題：FIFO多大才能滿足要求。為了滿足數(shù)據(jù)采集中高速實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)垢應(yīng)用，避免FIFO溢出，在我們的系統(tǒng)中，通過(guò)FPGA及SDRAM構(gòu)造一個(gè)容量的FIFO（圖1虛線框內(nèi)所示），可以提供一個(gè)低成本并能滿足高速實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案。
圖2
2 USB數(shù)據(jù)采集卡硬件
2.1 EZ-USB FX2（CY7C680
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