引言

　　在雷達接收機的測試和維護中，經(jīng)常需要對數(shù)據(jù)進行采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)送入計算機進行分析處理。鑒于對數(shù)據(jù)實時采集的需求，對采集系統(tǒng)提出三方面的要求：第一，接口簡單靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸率；第二，采集的數(shù)據(jù)能夠快速處理并能方便提取原始數(shù)據(jù)；第三，數(shù)據(jù)采集裝置具備多路數(shù)據(jù)采集能力。對于一些特殊應(yīng)用，甚至需要整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠方便攜帶。

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多通過PCI總線完成數(shù)據(jù)的傳輸，但PCI總線存在嚴重缺陷：受限于計算機插槽數(shù)量和中斷資源；不便于連接與安裝；易受機箱內(nèi)電磁環(huán)境的影響。這些問題遏制了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進一步開發(fā)和應(yīng)用。因此，需要一種更為簡便通用的方式來完成采集系統(tǒng)和計算機的數(shù)據(jù)的交互。

　　考慮到現(xiàn)代計算機上大都配備了USB接口，且USB支持即插即用，安裝方便，易于擴展，USB2.0能夠達到480Mb/s的理論傳輸速度，非常適合在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，通過USB接口來完成數(shù)據(jù)傳輸是一個很好的替代方案。出于上述考慮，筆者設(shè)計了一個基于USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過實際測試，該系統(tǒng)可以很好的完成數(shù)據(jù)采集的功能。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計

　　高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)整體的設(shè)計思路如下：計算機將采集指令(包括數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)長度，FPGA控制指令等)送給USB控制芯片，USB控制芯片通過固件程序?qū)χ噶钸M行簡單的格式判定，然后將判定后正確的指令送給FPGA，F(xiàn)PGA對指令進行譯碼，獲得需要采集的數(shù)據(jù)的長度，以及采集的地址和控制信號，控制RAM來完成數(shù)據(jù)的采集存儲。雷達接收機送過來的數(shù)據(jù)和時鐘信號經(jīng)過長線接收器組以后，由差分信號變?yōu)槠胀ǖ臄?shù)字信號，時鐘信號送入FPGA，經(jīng)過處理后，用來控制數(shù)據(jù)的采集時刻，數(shù)據(jù)先存入RAM，待完成所需數(shù)目的采集以后，再通過USB控制芯片送給計算機，完成數(shù)據(jù)的后期處理和顯示。

圖1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

　　圖2為FPGA與USB控制芯片的連接圖，電路中FPGA選用EP1C3T144C8，USB控制芯片選用Cypress 公司的CY7C68013。USB_Ready 為USB芯片狀態(tài)標志，低電平有效；FPGA_Ready為FPGA芯片狀態(tài)標志，低電平有效；USB_Clk為USB向FPGA傳送指令的指令時鐘，USB_Data 為USB傳送給FPGA的控制指令；FD[15:0]為USB 與FPGA交互的數(shù)據(jù)。

圖2 FPGA與USB控制芯片的電路連接圖

　　FPGA與USB芯片之間的通信流程如下：

1、FPGA發(fā)送FPGA_Ready信號給USB控制芯片，表示FPGA準備好；

　　2、USB控制芯片發(fā)送USB_Ready信號給FPGA，表示在USB_Ready為低電平期間將有控制指令傳送；

　　3、USB控制芯片由Send_CLK發(fā)送時鐘信號，同時由Send_DATA發(fā)送控制指令給FPGA，控制指令在時鐘信號上升沿有效；

　　4、FPGA收到控制指令，執(zhí)行相應(yīng)動作。FPGA發(fā)送各種控制時序信號和RAM地址，把I路、Q路數(shù)據(jù)存在RAM里，而后將數(shù)據(jù)讀到FPGA，再通過FD[15：0]以字的形式傳給USB控制芯片的從屬FIFO端點EP8緩沖區(qū)，由PC機讀取。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件主要分為FPGA 模塊設(shè)計程序，USB 固件程序，以及上層應(yīng)用軟件程序。

　　FPGA模塊編程

　　系統(tǒng)采用Altera 公司的Cyclone系列的FPGA芯片，采用Verilog HDL 作為開發(fā)語言，開發(fā)環(huán)境采用Quartus II 5.0。

　　在系統(tǒng)的FPGA軟件設(shè)計過程中，根據(jù)功能的需要，將整個系統(tǒng)分為了三個大的模塊來設(shè)計，分別為：時鐘、控制指令輸出模塊，數(shù)據(jù)采集、存儲模塊，USB數(shù)據(jù)傳輸模塊。時鐘、控制指令輸出模塊對輸入的時鐘進行整形，形成數(shù)據(jù)采集時鐘，同時，輸出22位控制電平信號；數(shù)據(jù)采集、存儲模塊對輸入的數(shù)據(jù)進行采集并存儲在存儲器里；USB數(shù)據(jù)傳輸模塊讀取存儲器里的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)輸出至USB的FIFO里。

       USB 固件程序

　　固件程序即為寫入USB單片機中的程序，它是設(shè)備運行的控制中樞．Cypress公司提供了固件架構(gòu)，用戶可以利用這一架構(gòu)簡化固件開發(fā)。固件設(shè)計架構(gòu)是由Keil C51編譯器與其整合開發(fā)工具編寫和構(gòu)建的．在程序開始時，固件架構(gòu)會執(zhí)行下列步驟：

　　1) 設(shè)置所有內(nèi)部狀態(tài)變量的初始值。

　　2) 調(diào)用用戶的初始設(shè)置函數(shù)TD_Init( )，待返回后，固件架構(gòu)就會將USB接口設(shè)置為未配置的狀態(tài)。

　　3) 在1s的時間間隔內(nèi)，開始重新進行設(shè)備列舉，直到設(shè)置封包收到端點0為止。

　　4) 當SETUP封包被檢測到后，固件架構(gòu)就會啟動工作分配器，而這個工作分配器就會按順序重復(fù)地執(zhí)行下面的工作：

A: 調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll( )。
B: 是否決定標準設(shè)備請求是未定(或等待決定)的。如果已決定，它將會分析所收到的命令請求，并且加以響應(yīng)。
C: 是否決定USB核心已經(jīng)報告了USB中止(Suspend)事件。如果已決定，它會調(diào)用用戶函數(shù)TD_Suspend()。
若取得成功的返回，則測試回復(fù)(Resume)事件。反之，如果未檢測到，將會把微處理器放人中止模式中。當回復(fù)事件被檢測到時，將調(diào)用用戶函數(shù)TD_Resume( )，并且連續(xù)地跳回至步驟C。
D: 若從TD_Suspend()函數(shù)中未收到成功的返回，再連續(xù)地跳至步驟C。
實際上Cypress公司提供的這個固件框架已經(jīng)能夠使USB芯片正常的工作，但是，它并不能滿足本系統(tǒng)的需要。需要添加自己的控制代碼來控制USB芯片，使之能夠完成需要的工作。

　　框架程序中為提供了兩個函數(shù)TD_Init( )，TD_Poll( )，根據(jù)上面的分析發(fā)現(xiàn)，這兩個函數(shù)分別完成了系統(tǒng)的初始化工作和系統(tǒng)的用戶期望工作。在此采集系統(tǒng)中，只需要修改這兩個函數(shù)，添加自己的功能函數(shù)，即可完成系統(tǒng)需要的功能。

　　在TD_Init( )中，需要添加自己的代碼來完成系統(tǒng)的初始化，因為系統(tǒng)采用了2端點和6端點的批量讀寫功能，所以，將2端點配置單緩沖區(qū)512字節(jié)，兩倍緩沖區(qū)，作為In端點，將6端點配置為單緩沖區(qū)512字節(jié)，兩倍緩沖區(qū)，作為Out端點，配置系統(tǒng)為異步Slave FIFO 模式。

　　在TD_Poll( )中，通過檢測2端點和6端點緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，來及時的讀取這兩個緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后調(diào)用自己定義的函數(shù)DecodeInst( ), ImplementInst( )來完成對于控制指令的譯碼和執(zhí)行工作。

驅(qū)動程序

　　基于EZ-USB FX2的二次枚舉的特性，需要編制兩個驅(qū)動程序：一個驅(qū)動程序loader.sys，它將在主機上編寫好的固件程序在主機系統(tǒng)啟動時下載至FX2的RAM中；另一個驅(qū)動程序USBBULK.sys為實際安裝的驅(qū)動程序。另外，為實現(xiàn)在系統(tǒng)啟動時，自動安裝兩次驅(qū)動程序，還需編寫自己的ezloader.inf文件實現(xiàn)。loader.sys需要自己編寫生成，USBBULK.sys可使用CYPRESS公司的通用驅(qū)動程序。

　　用戶程序

　　用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，它通過通用驅(qū)動程序完成對外設(shè)的控制和通信。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設(shè)的連接，然后才能實施數(shù)據(jù)的傳輸。啟動采樣后，為了保證不丟失數(shù)據(jù)，用戶程序應(yīng)建立一個新的工作線程專門獲取外設(shè)傳來的數(shù)據(jù)。程序中主要用到兩個API函數(shù)：CreateFile()和DeviceIoControl()。CreateFile()取得設(shè)備句后,DeviceIoControl()根據(jù)該句柄完成數(shù)據(jù)傳輸。

　　系統(tǒng)通過DeviceIoControl()完成的工作如下：

　　數(shù)據(jù)批量讀，數(shù)據(jù)批量寫。

結(jié)語

　　為了驗證本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準確性，利用信號源產(chǎn)生的正弦波信號對系統(tǒng)進行驗證。測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 測試結(jié)果

　　通過實際測量，該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)與實際情況完全符合，單通道采樣速率最高可達到10Mbps。

　　整個采集系統(tǒng)由USB2.0數(shù)據(jù)傳輸、FPGA、邏輯電路、和計算機等組成，通過對該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件編程分析，以及實際測量結(jié)果的比較，證明了該系統(tǒng)的可行性。由于采用高速USB2.0接口，本系統(tǒng)具有即插即用、高速采集等特點，具有很好的擴展性。該采集系統(tǒng)已經(jīng)在雷達接收機的測試系統(tǒng)中得到應(yīng)用。