隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，對嵌入式系統(tǒng)的應用需求也呈現(xiàn)出不斷增長的態(tài)勢，因此，嵌入式技術(shù)也相應地取得了重要的進展，系統(tǒng)設備不斷向高速化、集成化、低功耗的方向發(fā)展?，F(xiàn)場可編程門陣列FPGA經(jīng)過近20年的發(fā)展，到目前已成為實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的主流平臺之一。 FPGA具有單片機和DSP無法比擬的優(yōu)勢，相對于單片機和DSP工作需要依靠其上運行的軟件進行，F(xiàn)PGA全部的控制邏輯是由延時更小的硬件來完成的。
通用串行總線（USB）是現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢，是解決計算機與外設連接瓶頸的有效手段，USB2.O版本在原先的版本基礎上實現(xiàn)許多技術(shù)上的飛躍與進步。USB2.0協(xié)議規(guī)范有以下主要優(yōu)點：1）速度快，接口的傳輸速度高達480Mh／s，遠大于PCI接口的132 Mb／s的傳輸速度；2）連接簡單，所有的USB外設利用通用的電纜可簡單方便地連入PC機中，安裝過程高度自動化；3）支持多設備連接，USB接口支持多個不同設備采用“級聯(lián)”方式來連接外設。
故為了將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計更加符合高速化和集成化的趨勢，采用了FPGA和USB2.0組合的方案來進行。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框架與硬件設計方案
系統(tǒng)硬件設計部分中，在完成系統(tǒng)時鐘源、電源等必要電路的設計基礎上，重點就是完成系統(tǒng)內(nèi)各個部件的接口電路的設計，通過這部分的設計，基本的硬件平臺就建立起來了。系統(tǒng)部件間的硬件電路接口設計如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)部件間的硬件電路接口設計
A／D芯片在此選用了德州儀器公司的10位串行接口芯片TLV1572，8管腳的SOIC封裝，它外部較少的管腳不僅能夠很方便地實現(xiàn)與其他器件連接，而且它體積小，可以節(jié)省很多布線資源，如圖2所示。TLV1572的最高采樣速率為1.25 MS／s，其積分非線性誤差INL<±1LSB，可以采用3 V或5 V的供電方式。
圖2 A/D芯片及周邊電路
由于大部分USB1.1的芯片都需要微控制器參與數(shù)據(jù)從端點FIFO到應用環(huán)境的轉(zhuǎn)移，微控制器在里面扮演了搬運者的角色，那么顯然微控制器本身的工作頻率就極大地限制了數(shù)據(jù)傳輸帶寬的進一步提高，微控制器將成為制約整個系統(tǒng)速度提高的瓶頸。
故在此選用的是Cypress Semiconductor公司的EZ-USBFX2（CY7C68013A）USB2.0芯片，它集成了USB2.0收發(fā)器，串行接口引擎SIE和可編程的外圍接口。該芯片的另一大優(yōu)點就是提供了一種獨特架構(gòu)，使USB接口和應用環(huán)境直接共享Slave FIFOs，微控制器無需參與數(shù)據(jù)傳輸，這樣就極大地提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率，如圖3所示。
圖3 EZ-USB FX2芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
由于FPGA的I／O管腳數(shù)目眾多，它在和A／D芯片及USB2.0芯片相連時，能夠按照優(yōu)化布線資源的方式進行PCB布局設計，具體的連接方法在圖1中已經(jīng)給出。
2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計方案
FPGA軟件設計方案中采用了自頂向下的設計方法，運用Verilog HDL語言來設計數(shù)字系統(tǒng)，分別完成數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部各個子模塊的設計。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模塊間的連接示意圖如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模塊間的連接示意圖
由圖4可見，系統(tǒng)主要由3個模塊組成。它們分別是A／D接口adc.v模塊、USB接口usb.v模塊以及頂層top.v模塊，其中在頂層top.v模塊中，完成了對其他兩個模塊的調(diào)用，使它們拼接成為一個完整的系統(tǒng)。其中鎖相環(huán)PLL_1和PLL_2分別給ade.v模塊和usb.v模塊提供時鐘源。
2.1 FPGA控制A／D芯片接口的軟件設計
在adc.v模塊中，需要完成FPGA對TLV1572的接口邏輯代碼的設計，其實質(zhì)就是在TLV1572的時序分析的基礎上來設計邏輯代碼，使得FPGA能夠按照其時序要求完成對A／D芯片的各種控制，包括提供給TLV1572的串行時鐘信號信號ADC_CLK、CS片選信號ADC_CSn以及從TLV1572中讀取出轉(zhuǎn)換完成的串行數(shù)據(jù)S_DATA。
TLV1572的時序圖如圖5所示。
圖5 TLV1572的時序圖
從時序圖可見，A／D芯片的轉(zhuǎn)化過程是在當CS為低電平后，由SCLK的上升沿發(fā)起的，輸出的頭六位二進制數(shù)字均為“0”，此時A／D芯片正處于采樣階段，數(shù)字無效，這六位無效的二進制數(shù)之后，A／D轉(zhuǎn)換完成后的二進制數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿被送到總線上，這時，作為系統(tǒng)主控制芯片的FPGA應當去采樣總線上的數(shù)據(jù)，得到轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。
2.2 FPGA控制USB2.0芯片的軟件設計
在usb.v模塊中，需要完成FPGA對CY7C68013A的接口邏輯代碼的設計和異步FIFO模塊的設計。其中，對CY7C68013A的接口邏輯代碼主要是完成對CY7C68013A芯片的端點FIFO的各種控制，包括16位的數(shù)據(jù)信號FIFO_DATA[15：0]、2位端點FIFO選擇信號FIFO_ADDR[1：0]、端點FI-FO滿標志位信號FIFO_Full、端點FIFO寫使能信號FIFO_WR_en。因為adc.v模塊和芯片外部的CY7C68013A工作在不同的時鐘域內(nèi)，故異步FIFO模塊設計部分設計的目的除了是要完成從ade.v模塊讀取過來數(shù)據(jù)的緩沖，另外就是需要解決異步時鐘域數(shù)據(jù)傳輸可能出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)問題。
具體來說，F(xiàn)PGA在工作時需要不斷向CY7C68013A的端點FIFO寫入數(shù)據(jù)，而FPGA與CY7C68013A之間的工作模式屬于同步方式，兩者都由PLL _2模塊提供40 MHz的時鐘信號進行工作，那么它們之間的關(guān)系就是同步Slave FIFO的寫操作，由FPGA向CYTC68013A中寫入數(shù)據(jù)。
在Verilog HDL程序設計中，需要設計一個狀態(tài)機來完成同步Slave FIFO寫的時序，寫時序如下；1）IDLE：當寫事件發(fā)生時，進狀態(tài)1；2）狀態(tài)1：使FIFOADR[1：0]指向IN FIFO，進狀態(tài)2；3）狀態(tài)2：如果端點FIFO滿，在當前狀態(tài)等待，否則進狀態(tài)3；4）狀態(tài)3：驅(qū)動數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線上，使SLWR有效，持續(xù)一個IFCLK周期，進狀態(tài)4；5）狀態(tài)4：如需傳輸更多的數(shù)，進狀態(tài)2，否則進入IDLE狀態(tài)。
該狀態(tài)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)圖如圖6所示。
圖6 狀態(tài)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)圖
2.3 FPGA的頂層模塊的設計
由圖4可知，top.v模塊是FPGA整個系統(tǒng)的頂層模塊，它通過頂層調(diào)用的方式把adc.v和usb.v兩個模塊組合成一個完整的系統(tǒng)，系統(tǒng)與外界進行通信是通過top.v這個模塊對外的各個接口來實現(xiàn)的，具體到器件層面，就表現(xiàn)為由top.v文件定義的FPGA的相關(guān)的管腳來和A／D與USB2.0芯片進行數(shù)據(jù)的交換、控制信息以及時鐘信號的傳遞。這種自頂向下的設計方法，不僅符合人的思維邏輯，也大大地簡化了大規(guī)模邏輯電路的設計工作，使人們從繁瑣的自底向上的底層設計中解放出來，以一種系統(tǒng)級的思維模式設計電路。這是自頂向下設計方法的巨大優(yōu)勢之一。頂層top.v模塊是通過例化的方式來調(diào)用adc.v模塊和usb.v模塊的以及PLL模塊。
2.4 USB2.0芯片的固件程序設計
在USB的體系中，無論是其本身的規(guī)范還是各種廠家所提供的芯片資料，關(guān)于主機對USB的檢測都稱之為枚舉Enumeration（and ReNumer-ation），即枚舉（與重新枚舉）。固件在這發(fā)揮了無法替代的作用。應該說所有基于微控制器及其外圍電路的功能設備的正常工作都離不開固件的參與，固件的作用就是輔助硬件，或者說是控制硬件來完成預期的設備功能。沒有固件的參與和控制，硬件設備只是芯片的簡單堆砌，無法實現(xiàn)預期的功能。
CY7C68013A內(nèi)部集成了增強型的8051內(nèi)核，它與8051指令集二進制是兼容的，那么就可以選擇匯編或者高級語言C51來編寫固件代碼，兩者各有優(yōu)缺點，適用的環(huán)境也不同。本設計中采用C51來編寫固件程序，關(guān)于開發(fā)C51語言的Keil μVision 2開發(fā)編譯環(huán)境在此不再贅述。
Cypress公司為了簡化和加速用戶使用CY7C68013A芯片進行USB外設的開發(fā)過程，特別設計了一個完整的固件程序的框架。這個框架可以執(zhí)行CY7C68013A芯片的初始化、USB標準設備請求的處理和USB掛起電源管理服務。用戶只需要提供一個USB描述符表，添加其他端點接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信代碼，以及控制外圍電路的程序代碼。
在Keil μVision 2集成開發(fā)環(huán)境下，新建工程后，需要將工程代碼復制到工程目錄中并添加至工程列表中，開發(fā)固件程序需要幾個重要的文件依次為：1）fw.c，框架程序的代碼。2）periph.c，用戶函數(shù)掛鉤的相關(guān)定義，外圍設備的控制文件。在上節(jié)中，主程序fw.c調(diào)用的TD_lnit（）函數(shù)即在此定義出來。3）dscr.a51，USB描述符表，上節(jié)中關(guān)于描述符的定義在這個文件中給出。4）EZUSB.lib，EZ-USB函數(shù)庫目標代碼。5）USBJmpTb.OBJ，EZ-USB中斷向量和跳轉(zhuǎn)表。6）FX2.h，程序運行所需要的一些宏定義。7）fx2regs.h，CY7C68013A相關(guān)的寄存器定義及位屏蔽的宏定義。8）syncdly.h，定義了若干延時函數(shù)供程序調(diào)用。
3 Modelsim環(huán)境下仿真與結(jié)果
ModelSim是Model Technology（Mentor Graphics的子公司）的HDL硬件描述語言的仿真軟件，該軟件可以用來實現(xiàn)對設計的VBDL、Verilog HDL或是兩種語言混合的程序進行仿真，同時也支持IEEE常見的各種硬件描述語言標準。
目前需要對adc.v模塊進行功能仿真，以此驗證該模塊的功能的正確性。仿真測試的方法就是給adc.v這個模塊的s_data數(shù)據(jù)輸入端，即A／D芯片的串行數(shù)據(jù)的輸出端，加載一組測試數(shù)據(jù)，每16個為一組測試數(shù)據(jù)，模擬在真實環(huán)境下從A／D芯片讀取出來的二進制數(shù)據(jù)，然后在adc.v模塊的輸出端，即并行的16位寬的data_out端口觀察是否與給定的測試數(shù)據(jù)相一致。假如一致，則模塊的功能是正確的。假如有個別位的數(shù)據(jù)不一致，則需要檢查模塊的代碼是否存在問題。在編輯器中編寫Testbench程序如下（非關(guān)鍵的程序限于篇幅，就省略了）：
由上面的程序可以看見，給s_data端加載的一組16位二進制數(shù)據(jù)為“0000-0011_0110_1011”。在ModelSim環(huán)境下，將待測試的文件與該測試文件放在同一個工程下，設置好相關(guān)參數(shù)后運行仿真可以得到如下仿真波形，如圖7所示。
圖7 仿真波形
由圖7可見，從data_out這個并行的數(shù)據(jù)端口讀出的數(shù)據(jù)正是在Testbench仿真測試文件中給定的那一組測試數(shù)據(jù)，仿真得到的結(jié)果是正確的。
4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實驗
在FPGA控制A／D芯片接口的軟件設計中，是通過FPGA內(nèi)部的邏輯電路實現(xiàn)了分頻，并將分頻后的信號作為A／D芯片工作的采樣時鐘，經(jīng)過測試，得知A／D芯片的采樣頻率為1.08 MHz，通過信號發(fā)生器，將輸入的模擬信號設為10 kHz、幅度為3 V的正弦波，采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)上傳到上位機中，顯示的波形如圖8所示。
圖8 10KHZ信號輸入時得到的波形
在同等條件下，把輸入的模擬信號的頻率調(diào)整為5 kHz。A／D芯片的采樣頻率仍然為1.08 MHz。得到的顯示波形如圖9所示。
圖9 5 kHz信號輸入時得到的波形
由圖8和圖9可知，在對模擬信號采樣時，當采樣率不變時，輸入模擬信號的頻率越低，相對地就提高了采樣點、減小了采樣間隔，在圖形中就越能體現(xiàn)出原始模擬信號的信息，得到的波形就更加的理想。
5 結(jié)束語
本文在研究了FPGA和USB2.0技術(shù)的基礎上，提出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設計方案，以FPGA和USB2.0為技術(shù)核心，設計了硬件電路和軟件代碼并在ModelSim環(huán)境下通過了仿真測試。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)一般用途的數(shù)據(jù)采集，還實現(xiàn)了系統(tǒng)的高速化、集成化和低功耗工作，為便攜化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種設計思路。