引言
在雷達接收機的測試和維護中，經常需要對數(shù)據進行采集，然后將采集到的數(shù)據送入計算機進行分析處理。鑒于對數(shù)據實時采集的需求，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)據傳輸率；第二，采集的數(shù)據能夠快速處理并能方便提取原始數(shù)據；第三，數(shù)據采集裝置具備多路數(shù)據采集能力。對于一些特殊應用，甚至需要整個數(shù)據采集系統(tǒng)能夠方便攜帶。
傳統(tǒng)的數(shù)據采集系統(tǒng)大多通過PCI總線完成數(shù)據的傳輸，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；易受機箱內電磁環(huán)境的影響。這些問題遏制了基于PCI總線的數(shù)據采集系統(tǒng)的進一步開發(fā)和應用。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)據采集系統(tǒng)中應用。因此，通過USB接口來完成數(shù)據傳輸是一個很好的替代方案。出于上述考慮，筆者設計了一個基于USB2.0接口的高速數(shù)據采集系統(tǒng)，通過實際測試，該系統(tǒng)可以很好的完成數(shù)據采集的功能。
數(shù)據采集系統(tǒng)電路設計
高速數(shù)據采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)整體的設計思路如下：計算機將采集指令(包括數(shù)據格式，數(shù)據長度，FPGA控制指令等)送給USB控制芯片，USB控制芯片通過固件程序對指令進行簡單的格式判定，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)據的長度，以及采集的地址和控制信號，控制RAM來完成數(shù)據的采集存儲。雷達接收機送過來的數(shù)據和時鐘信號經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，經過處理后，用來控制數(shù)據的采集時刻，數(shù)據先存入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)據的后期處理和顯示。
圖1 高速數(shù)據采集系統(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。
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)據存在RAM里，而后將數(shù)據讀到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)據采集系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件主要分為FPGA 模塊設計程序，USB 固件程序，以及上層應用軟件程序。
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軟件設計過程中，根據功能的需要，將整個系統(tǒng)分為了三個大的模塊來設計，分別為：時鐘、控制指令輸出模塊，數(shù)據采集、存儲模塊，USB數(shù)據傳輸模塊。時鐘、控制指令輸出模塊對輸入的時鐘進行整形，形成數(shù)據采集時鐘，同時，輸出22位控制電平信號；數(shù)據采集、存儲模塊對輸入的數(shù)據進行采集并存儲在存儲器里；USB數(shù)據傳輸模塊讀取存儲器里的數(shù)據并把數(shù)據輸出至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，它是設備運行的控制中樞．Cypress公司提供了固件架構，用戶可以利用這一架構簡化固件開發(fā)。固件設計架構是由Keil C51編譯器與其整合開發(fā)工具編寫和構建的．在程序開始時，固件架構會執(zhí)行下列步驟：
1) 設置所有內部狀態(tài)變量的初始值。
2) 調用用戶的初始設置函數(shù)TD_Init( )，待返回后，固件架構就會將USB接口設置為未配置的狀態(tài)。
3) 在1s的時間間隔內，開始重新進行設備列舉，直到設置封包收到端點0為止。
4) 當SETUP封包被檢測到后，固件架構就會啟動工作分配器，而這個工作分配器就會按順序重復地執(zhí)行下面的工作：
A: 調用用戶函數(shù)TD_Poll( )。
B: 是否決定標準設備請求是未定(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。
C: 是否決定USB核心已經報告了USB中止(Suspend)事件。如果已決定，它會調用用戶函數(shù)TD_Suspend()。
若取得成功的返回，則測試回復(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。當回復事件被檢測到時，將調用用戶函數(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)據的狀態(tài)，來及時的讀取這兩個緩沖區(qū)中的數(shù)據，然后調用自己定義的函數(shù)DecodeInst( ), ImplementInst( )來完成對于控制指令的譯碼和執(zhí)行工作。
驅動程序
基于EZ-USB FX2的二次枚舉的特性，需要編制兩個驅動程序：一個驅動程序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；另一個驅動程序USBBULK.sys為實際安裝的驅動程序。另外，為實現(xiàn)在系統(tǒng)啟動時，自動安裝兩次驅動程序，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，它通過通用驅動程序完成對外設的控制和通信。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設的連接，然后才能實施數(shù)據的傳輸。啟動采樣后，為了保證不丟失數(shù)據，用戶程序應建立一個新的工作線程專門獲取外設傳來的數(shù)據。程序中主要用到兩個API函數(shù)：CreateFile()和DeviceIoControl()。CreateFile()取得設備句后,DeviceIoControl()根據該句柄完成數(shù)據傳輸。
系統(tǒng)通過DeviceIoControl()完成的工作如下：
數(shù)據批量讀，數(shù)據批量寫。
結語
為了驗證本系統(tǒng)采集數(shù)據的準確性，利用信號源產生的正弦波信號對系統(tǒng)進行驗證。測試結果如圖3所示。
圖3 測試結果
通過實際測量，該系統(tǒng)測量數(shù)據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)的硬件電路設計和軟件編程分析，以及實際測量結果的比較，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)已經在雷達接收機的測試系統(tǒng)中得到應用。