近年來，數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)得到飛速發(fā)展，在醫(yī)療、通信、化工、雷達(dá)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。早期采集數(shù)據(jù)主要是利用單片機(jī)作為主控制器，控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等外圍電路。隨著需求的增長，這種設(shè)計(jì)模式已不能滿足人們的需求，因此必須使用速度更快、性能更強(qiáng)的器件作為控制器。綜合考慮價(jià)格和性能，本設(shè)計(jì)采用可編程邏輯器件(FPGA)和單片機(jī)(MCU)聯(lián)合控制，只需一塊常用的MCU加上一塊FPGA芯片就能完成高速的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，同時(shí)FPGA還能完成其他邏輯功能[2]。

    通用串行總線USB具有支持熱拔插、傳輸速率高、占用資源少等優(yōu)點(diǎn)，適合數(shù)據(jù)傳輸。但USB協(xié)議復(fù)雜，編寫驅(qū)動(dòng)費(fèi)時(shí)，開發(fā)周期較長。FT245BM成功實(shí)現(xiàn)了USB和并行I/O的轉(zhuǎn)換，避開了固件設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)的編寫，大幅縮短了開發(fā)時(shí)間，成為開發(fā)USB外圍設(shè)備的理想選擇[3]。利用FT245BM和FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸，可有效降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
     數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成兩大功能：數(shù)據(jù)的采集和傳輸。系統(tǒng)利用外置手柄電極陣列采集64路模擬信號(hào)，通過FPGA控制可編程增益放大器放大采集的模擬信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換后由USB總線傳輸給PC機(jī)處理。本系統(tǒng)控制部分采用Altera公司的Cyclone系列FPGA EP1C6Q240C8芯片以及Philips公司的P89LV51單片機(jī)完成控制功能。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，MCU通過串口接收PC機(jī)發(fā)送的采集命令，然后將命令打包發(fā)送給FPGA，控制FPGA芯片采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)暫存到SRAM中[4]，F(xiàn)PGA通過識(shí)別FT245BM的寫數(shù)據(jù)命令，將SRAM中的數(shù)據(jù)送給PC機(jī)進(jìn)行處理。此設(shè)計(jì)方案簡化了USB通信，只需完成單向數(shù)據(jù)傳輸，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)
    鑒于系統(tǒng)精度、速度和成本,采用ADI公司的AD9238芯片。該芯片采用3.3 Ｖ供電,速度為可選20 MS/s、40 MS/s和65 MS/s。其內(nèi)部含有兩路A/D轉(zhuǎn)換器及信號(hào)保持器，可提供與單通道A/D轉(zhuǎn)換器同樣優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，而且比使用2個(gè)單通道A/D轉(zhuǎn)換器具有更好的抗串?dāng)_性能。模擬信號(hào)為差分輸入，轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)為并行輸出。
    考慮到被測(cè)信號(hào)頻率最高為1 MHz,系統(tǒng)只需采用20 MS/s的采樣頻率即可，此時(shí)功耗約為180 mW，符合低功耗設(shè)計(jì)要求。采樣時(shí)鐘由FPGA內(nèi)部的50 MHz時(shí)鐘分頻得到。采集電路采集的信號(hào)主要為通過手柄采集64路模擬信號(hào)和基準(zhǔn)參考信號(hào)，頻率在100 Hz~1 MHz范圍之間，電流值小0.5 mA。數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用的FT245BM模塊是英國FTDI公司的一種快速USB通信接口，可以支持USB1.1/2.0規(guī)范，傳輸速率最大可達(dá)1 MB/s。該芯片功能強(qiáng)大，無需編寫片內(nèi)固件程序，能夠?qū)崿F(xiàn)USB協(xié)議與并行I/O協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，芯片自動(dòng)完成中間的轉(zhuǎn)換工作。
    FT245BM內(nèi)部主要由USB收發(fā)器、串口接口引擎(SIE)、USB協(xié)議引擎和FIFO控制器等構(gòu)成。片內(nèi)含有2個(gè)FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：1個(gè)128 B的接收緩沖區(qū)和1個(gè)384 B的發(fā)送緩沖區(qū)[5]。FT245BM還包括1個(gè)內(nèi)置3.3 V穩(wěn)壓器，1個(gè)6 MHz振蕩器，8倍頻的時(shí)鐘倍頻器和USB內(nèi)部鎖相環(huán)。主要通過讀寫控制線(RDP、WR、TXE、RXF)和8根數(shù)據(jù)線D0~D7來完成與FPGA的通信。FT245BM的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。系統(tǒng)通過幀頭來識(shí)別各個(gè)狀態(tài)命令，數(shù)據(jù)傳輸格式為“幀頭+控制命令+幀尾”。

2.3 FPGA選擇
    本系統(tǒng)的FPGA芯片采用Altera公司Cyclone系列的EP1C6Q240C8。它采用0.13 μm，全銅SRAM工藝，工作電壓為1.5 V；內(nèi)部有2個(gè)鎖相環(huán)，5 980個(gè)LE單元，20個(gè)M4K型RAM塊，總RAM容量達(dá)到92 160 bit，240個(gè)管腳，其中包括185個(gè)最大可用I/O口(I/O口可自由定義)。該芯片電路設(shè)計(jì)簡單方便，編程靈活，不易受外部干擾。配合使用Altera公司的Quartus II軟件開發(fā)平臺(tái)，可以很容易地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，有效減少了開發(fā)周期。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 主控制模塊程序設(shè)計(jì)
    主控模塊由FPGA和MCU構(gòu)成，其中MCU采用C語言編程，F(xiàn)PGA采用Verilog HDL語言編程。主控模塊負(fù)責(zé)放大被測(cè)信號(hào)、采集信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸，本文主要討論采集數(shù)據(jù)部分。
    此設(shè)計(jì)簡化了USB通信，F(xiàn)T245BM在本系統(tǒng)中只需將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，不用進(jìn)行讀操作。FT245BM寫時(shí)序如圖4所示，當(dāng)數(shù)據(jù)滿足發(fā)送條件(當(dāng)前沒有數(shù)據(jù)發(fā)送且發(fā)送FIFO未滿)，TXE#置為低電平，控制器檢測(cè)到TXE#為低時(shí)，放入數(shù)據(jù)。當(dāng)WR輸出一個(gè)下降沿時(shí)，可將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送FIFO[6]。

3.2  軟件編程
    FT245BM和上層PC機(jī)通信時(shí)，需要在PC機(jī)上安裝驅(qū)動(dòng)。FTDI公司提供了VCP、D2XX(動(dòng)態(tài)鏈接庫)兩種驅(qū)動(dòng)模式。前一種是將USB接口虛擬為串行通信口，在PC上的編程和實(shí)現(xiàn)串口編程完全一樣；后一種提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(FTD2XX.DLL)，內(nèi)部包含了一套函數(shù)，使用該驅(qū)動(dòng)傳輸速率可達(dá)到1 MB/s[7]。
    根據(jù)FTDI公司的資料，前一種驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸速率最高為300 kb/s，達(dá)不到高速處理數(shù)據(jù)的要求，因此本文選擇利用D2XX來設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序通過FTD2XX.DLL、FTD2XX.SYS、Windows USB Driver Stack來實(shí)現(xiàn)對(duì)FT245BM的讀寫。上位機(jī)軟件采用Delphi7來設(shè)計(jì)，該軟件具有開發(fā)周期短、易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。通過調(diào)用FTD2XX.DLL中的函數(shù)，可完成對(duì)USB接口設(shè)備的讀寫。
4 調(diào)試與小結(jié)
    目前該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功應(yīng)用于乳腺電阻抗掃描成像系統(tǒng)。圖5即為該系統(tǒng)的上位機(jī)測(cè)試界面第1幀第64電極的測(cè)量曲線圖，其中，參考信號(hào)表示原輸入激勵(lì)信號(hào)，電極信號(hào)為通過人體后采集到的信號(hào)。從圖中可看出當(dāng)輸入的激勵(lì)信號(hào)為1 kHz時(shí)，測(cè)量得到的參考信號(hào)以及電極信號(hào)僅幅度不同，相位沒有明顯失真，頻率和曲線變化趨勢(shì)一致，表明該系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有較高的準(zhǔn)確性，符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)系統(tǒng)簡化了USB通信，有效降低了軟件交互的次數(shù)和軟件編寫的繁瑣程度，節(jié)省了硬件資源，提高了效率。

參考文獻(xiàn)
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