隨著大規(guī)模集成電路與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集在語(yǔ)音處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)化及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域中的地位日益突出，并且對(duì)數(shù)據(jù)采集的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡主要有PCI卡或者ISA卡，這些采集卡都存在著各種各樣的缺陷，比如傳輸速度慢、不支持熱插拔、安裝不方便、受計(jì)算機(jī)地址、中斷和插槽的限制，可擴(kuò)展性差等[1]。
    近年來(lái)，USB接口以其傳輸速度快、成本低、可靠性高、支持即插即用和熱插拔等優(yōu)點(diǎn)[2]，迅速成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁?。因此，開(kāi)發(fā)這種基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，代表了現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)，必將被越來(lái)越多的用戶所接受。
1 系統(tǒng)工作原理與硬件結(jié)構(gòu)
    基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分主要包括信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、USB控制電路三部分。PC機(jī)端的應(yīng)用程序通過(guò)USB主機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，通知CY7C68013開(kāi)始數(shù)據(jù)采集。當(dāng)CY7C68013接收到控制信號(hào)以后，通過(guò)GPIF模式發(fā)送控制波形到MAX125，控制其開(kāi)始的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)MAX125接收到控制信號(hào)以后，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集完成后，在USB主機(jī)控制器的控制下，MAX125把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到CY7C68013，最后通過(guò)USB總線把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
    系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.1 信號(hào)調(diào)理電路和電源電路
    擬電壓范圍為-5 V~+5 V，所以在輸入信號(hào)進(jìn)入之前必須進(jìn)行相應(yīng)的處理。本設(shè)計(jì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)的電壓范圍是0~30 mV，初步調(diào)理之后的電壓范圍為0~2 V，為了得到所需的增益，采用同相輸入放大電路對(duì)初步調(diào)理后的電壓放大。完成電壓轉(zhuǎn)換后，還必須由低通濾波器濾除高頻信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中，采用4階巴特沃斯濾波器。濾波電路和放大電路所采用的放大器為OP07，其輸入電壓范圍為±3 V～±22 V。本設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)電源供電，提供的輸出電壓為±5 V、12 V，其中，MAX125需要5 V的數(shù)字電源和±5 V的模擬電源工作，運(yùn)算放大器的供電電壓為5 V和－5 V，而系統(tǒng)中USB2.0芯片采用3.3 V供電，為此，需要電源轉(zhuǎn)換模塊以獲得系統(tǒng)所需要的電源電壓值,其中5 V轉(zhuǎn)3.3 V電壓用到AS1117-3.3系列芯片。
1.2 USB控制電路
    USB2.0傳輸芯片采用CYPRESS公司的CY7C68013A-56PIN，芯片的商標(biāo)號(hào)是FX2。EZ-USB FX2微處理器是世界上第一款集成USB2.0的微處理器,具有增強(qiáng)型的8051內(nèi)核性能、集成度高、方便靈活的軟配置和快捷的軟件開(kāi)發(fā)工具等主要特性[3]。該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中主要包括USB2.0收發(fā)器、串行引擎(SIE)、增強(qiáng)型的8051內(nèi)核、16 KB的RAM、4 KB的FIFO存儲(chǔ)器、I/O接口、8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線和通用可編程接口(GPIF)。

    EZ-USB FX2是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，除了完成與上位機(jī)的USB總線通信，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D采樣電路的控制。CY7C68013本身有一個(gè)4 KB的內(nèi)部FIFO存儲(chǔ)器，可以滿足常規(guī)的數(shù)據(jù)采集的需求，更重要的是其內(nèi)部還提供了一個(gè)用于控制FIFO存儲(chǔ)器的通用可編程接口(GPIF)，大大方便了用戶的需求[4]，而且在GPIF的控制下，內(nèi)部的FIFO利用其高速緩沖區(qū)可以在不需要固件的參與下與USB之間進(jìn)行自動(dòng)高速通信。GPIF是一個(gè)內(nèi)置接口控制器，用來(lái)取代外接的控制邏輯，可以工作在內(nèi)部時(shí)鐘(30 MHz或48 MHz)，也可以由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)(5 MHz~48 MHz)。GPIF的核心實(shí)際上是一個(gè)可編程狀態(tài)機(jī)，最多可產(chǎn)生6個(gè)控制信號(hào)和9位地址總線。4個(gè)用戶定義的波形描述符控制這個(gè)狀態(tài)機(jī)，一般來(lái)講，有單次讀取、單次寫入、連續(xù)讀取、連續(xù)寫入4個(gè)波形[5]。在GPIF模式下，讀和寫的操作都是從EZ-USB的角度來(lái)說(shuō)的。即一個(gè)讀波形數(shù)據(jù)傳輸表示數(shù)據(jù)從外部邏輯傳輸?shù)紼X-USB的內(nèi)部FIFO，而一個(gè)寫波形數(shù)據(jù)傳輸表示數(shù)據(jù)傳輸從EZ-USB內(nèi)部的FIFO發(fā)送到外部邏輯。FX2用4個(gè)波形描述符來(lái)控制各個(gè)狀態(tài)，這些波形描述符可動(dòng)態(tài)地配置給任何一個(gè)端點(diǎn)FIFO。配置后GPIF將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應(yīng)的邏輯控制CTL及握手信號(hào)RDY來(lái)和外界接口,以滿足向FIFO讀寫數(shù)據(jù)的需要。GPIF的數(shù)據(jù)總線可以是8位，也可以是16位，本設(shè)計(jì)采用16位數(shù)據(jù)總線。
1.3 硬件連接圖
    EZ-USB FX2接口芯片和MAX125芯片的連接圖如圖3所示。

 
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括固件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)3部分。
2.1 固件程序設(shè)計(jì)
    固件程序是整個(gè)程序設(shè)計(jì)的核心，它主要負(fù)責(zé)處理PC機(jī)發(fā)送來(lái)的各種USB設(shè)備請(qǐng)求，并與外圍電路進(jìn)行交換，存放在主機(jī)上，當(dāng)系統(tǒng)上電或連接時(shí)將其自動(dòng)下載到芯片的RAM中，并由8051執(zhí)行。固件程序主要包括設(shè)備初始化和GPIF波形控制。固件程序流程如圖4所示。

    USB的固件程序是由main主函數(shù)處開(kāi)始執(zhí)行的，在主函數(shù)中，主要的初始化有：初始化休眠模式、遠(yuǎn)程呼喚和自供電；初始化用戶設(shè)備。其中設(shè)備初始化包括FX2工作模式的配置和數(shù)據(jù)采集參數(shù)的配置。FX2工作模式配置主要包括時(shí)鐘模式和端點(diǎn)配置，用到的寄存器有CPUCS和EP2CFG。端點(diǎn)0作為控制傳輸，端點(diǎn)2作為輸入端點(diǎn)，傳輸方式為批量傳輸。這部分程序主要位于TD_Init( )中，此外還包括對(duì)生成的GPIF.C中的GPIF寄存器的初始化函數(shù)GPIFInit()的調(diào)用。
    GPIF編程主要包括GPIF工作模式的初始化、GPIF波形描述符配置、GPIF觸發(fā)三部分內(nèi)容。GPIF工作模式初始化主要是對(duì)寄存器IFCONFIG、EP2FIFOCFG進(jìn)行配置，即IFCONFIG=0xFA，EP2FIFOCFG=0x09。GPIF對(duì)MAX125的控制是按照GPIF波形描述符所表達(dá)的時(shí)序進(jìn)行的。根據(jù)MAX125提供的讀寫時(shí)序，本系統(tǒng)利用CYPRESS提供的開(kāi)發(fā)工具GPIF Designer設(shè)計(jì)了GPIF波形描述符。GPIF觸發(fā)過(guò)程是在TD_Poll()中實(shí)現(xiàn)的，其中寫AD控制字波形的代碼為：XGPIFSGLDATLXH=gdata[13:8]，XGPIFSGLDATLXL=gdata[7：0]；啟動(dòng)GPIF FIFO讀傳輸?shù)拇a為：GPIFTRIG=GPIFTRIGRD｜GPIF_EP2。
2.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要作用是使操作系統(tǒng)能夠識(shí)別USB設(shè)備，并建立起主機(jī)和設(shè)備之間的通信。USB驅(qū)動(dòng)程序采用WDM驅(qū)動(dòng)模型[6]，支持即插即用功能。在WDM驅(qū)動(dòng)程序模型中，每個(gè)硬件設(shè)備至少有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序?yàn)楣δ茯?qū)動(dòng)程序，即硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它了解使硬件工作的所有細(xì)節(jié)，負(fù)責(zé)初始化I/O操作、處理I/O操作完成時(shí)所帶來(lái)的中斷事件，并為用戶提供一種設(shè)備適合的控制方式。另一個(gè)為總線驅(qū)動(dòng)程序，由操作系統(tǒng)提供，它位于USB功能驅(qū)動(dòng)程序的下面，負(fù)責(zé)管理硬件與計(jì)算機(jī)的連接。
    在Windows操作系統(tǒng)下，開(kāi)發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)程序可以選擇DDK開(kāi)發(fā)工具。主要有4個(gè)驅(qū)動(dòng)例程：入口例程、即插即用例程、分發(fā)例程以及電源管理例程。
　入口例程，即DriverEntry例程，由操作系統(tǒng)的I/O管理器在設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能加載時(shí)進(jìn)行調(diào)用,主要負(fù)責(zé)WDM驅(qū)動(dòng)程序的初始化。
　即插即用例程實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的熱插拔和動(dòng)態(tài)配置。當(dāng)設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并調(diào)用其DriverEntry例程，自動(dòng)選擇并加載合適的驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)設(shè)備從系統(tǒng)中移除時(shí)，自動(dòng)處理相應(yīng)的清除工作。其驅(qū)動(dòng)例程主要有兩個(gè)：AddDevice例程和IRP_MJ_PNP例程。AddDevice例程用于完成設(shè)備的添加。IRP_MJ_PNP例程主要負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)即插即用管理器發(fā)出的PnP信息，包括啟動(dòng)設(shè)備、停止設(shè)備、刪除設(shè)備等。
　分發(fā)例程用于處理各種I/O請(qǐng)求，每個(gè)分發(fā)例程都對(duì)應(yīng)一個(gè)Win32函數(shù)。常用的分發(fā)例程主要有IRP_MJ_CREATE例程和IRP_MJ_CLOSE例程。
　電源管理例程負(fù)責(zé)設(shè)備的掛起與喚醒。
2.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
　上位機(jī)應(yīng)用程序給用戶提供一個(gè)操作采集系統(tǒng)的界面，將采集到的數(shù)據(jù)以多種方式顯示給用戶，用戶也可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。應(yīng)用程序采用Visual C++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用MFC編程，主要功能有：開(kāi)啟和關(guān)閉USB設(shè)備、檢測(cè)USB設(shè)備、設(shè)置USB設(shè)備傳輸管道、設(shè)置數(shù)據(jù)采集端口、實(shí)時(shí)地從USB接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序流程圖如圖5所示。

   應(yīng)用程序使用Win32的API函數(shù)CreateFile()來(lái)創(chuàng)建和打開(kāi)設(shè)備，并返回該設(shè)備的句柄。當(dāng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀取時(shí)，首先調(diào)用打開(kāi)并獲得指定的USB設(shè)備的句柄，然后對(duì)指定管道進(jìn)行復(fù)位，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)接收數(shù)據(jù)線程。應(yīng)用程序通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的Win32 API函數(shù)DeviceIoControl()調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序中定義的宏代碼IO_PICUSB_
CTRL_READ來(lái)執(zhí)行這部分操作，而驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備之間的通信中，DeviceIoControl()調(diào)用被轉(zhuǎn)化成一個(gè)帶有IRP_MJ_DEVICE_CONTROL功能代碼的IRP。關(guān)閉USB設(shè)備需調(diào)用CloseHandle()函數(shù), 其調(diào)用方式為CloseHandle(hDevice)，其中hDevice為在調(diào)用CreateFile()函數(shù)時(shí)返回的設(shè)備句柄。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
    圖6為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在批量傳輸下的應(yīng)用程序界面。圖中曲線是對(duì)模擬語(yǔ)音信號(hào)采集生成的波形圖。實(shí)驗(yàn)表明，該基于USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的采集，傳輸速度能達(dá)到30 Mb/s，具有很強(qiáng)的抗干擾性，完全滿足設(shè)計(jì)和使用要求。在保存數(shù)據(jù)和退出應(yīng)用程序前，應(yīng)先停止采集。保存數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)在“保存”欄中選擇對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)，就可以保存數(shù)據(jù)。

    本文所設(shè)計(jì)的基于USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有8路輸入14位分辨率的性能，可滿足語(yǔ)音處理、工業(yè)自動(dòng)化及生物醫(yī)學(xué)工程中心電信號(hào)等領(lǐng)域中大多數(shù)場(chǎng)合的數(shù)據(jù)采集要求。不僅克服了傳統(tǒng)采集系統(tǒng)的缺陷，而且充分利用USB優(yōu)點(diǎn)，提高了傳輸速度，給用戶帶來(lái)許多方便。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用USB接口進(jìn)行微處理器與上位機(jī)之間的通信，并結(jié)合CY7C68013特有的GPIF編程技術(shù)，有效提升了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速率，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。
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