基于USB2.0的同步高速数据采集器的设计

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摘要：介绍了一种基于USB2．0接口的同步高速数据采集的设计方案及其软硬件的设计方法，对Cypress的USB2．0控制芯片CY7C68013和同步数据采集芯片AD7862的特性作了简要说明，同时重点介绍CPIP及其驱动软件的设计。

    关键词：USB2．0 EZ—USB FX2 同步数据采集

随着计算机技术的迅速发展，对外部总线速度的要求越来越高。通用串行总线(Universal Serial Bus，即USB总线)凭借其即插即用、热插拔以及较高的传输速率等优点，成为PC机与外设连接的普遍标准。在许多便携式电脑上，已经找不到RS-232接口。迄今为止，常用的USB总线标准有1998年发布的USBl．1版本和2000年发布的USB2．0版本。其中1．1版本支持两种传输速率：1．5Mbps和12Mbps，主要应用在低速传输要求的场合；而2．0版本面向高数据率传输的场合，支持480Mbps的传输速度，并向下完全兼容USBl．1协议。在实际应用中，通常会遇到一些突发信号，需要对其进行高速采集，对数据进行高速传输，所以USB2．0标准自然成为首选。以Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013芯片作为核心控制器，设计开发了一套符合USB2．0标准的高速同步数据采集器。

1 CY7C68013芯片

Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013，是目前市面上比较少的符合USB2．0标准的USB控制器之一。与其它同类芯片相比，它提供了4KB的FIFO和一个功能十分强大的GPIF(General Programmable Interface)模块。后者相当于一个可编程状态机，正是由于它的存在，使得CY7C68013比其它同类芯片具有强大的互联能力。图1是CY7C68013芯片的结构示意图，其主要特点如下：

·CY7C68013内部集成了一个增强型的51内核，其指令集与标准的8051兼容，并且在多方面有所改进。例如：最高工作频率可达48MHz，一个指令周期为4个时钟周期，两个UART接口，三个定时计数器，一个I2C接口引擎等。

·CY7C68013提供了一个串行接口引擎(SIE)，负责完成大部分USB2．0协议的处理工作，从而大大减轻了USB协议处理的工作量，并且提供了4KB的FIFO保证数据高速传输的需要。

·为了满足与各种不同类型外设的互联需要，芯片中集成了一个GPIF模块，让用户可以按照外设的时序进行波形编辑，而不需要复杂的程序描述，就可以保证GPIF与内部．FIFO的协调工作，实现芯片与高速外围设备之间的逻辑连接和高速数据传输。这对于开发者来说是相当友好的。笔者就是利用这一特性，实现数据的高速同步采集及传输。

图1

2 同步高速数据采集芯片AD7862

2．1 AD7862的结构

AD7862是AD公司推出的高速、低功耗、双极性12位的A／D转换芯片，其中包含了两个独立的快速ADC模块(允许同时采样和转换两路信号)、4路模拟输入信号(VAl、VA2、VBl、VB2)、2．5V的内部电压基准以及一个12位的高速并行接口。芯片正常运行时功耗只有60mW，当使用节电方式时，只有50μW，对于自带电源的USB设备这种低功耗无疑是一种优点。该芯片的内部结构如图2所示。每个ADC都有一个两通道的多路选择器，芯片通过地址信号A0分别选通VAl、VA2或VBl、VB2，当一个CONVST信号到来时，同时转换地址A0选中的两路信号。

2．2 AD7862的控制时序

AD7862的控制时序如图3所示。在USB2．0同步高速数据采集器中，利用GPIF实现图3所示的时序控制。其中CONVST是转换开始启动信号，下降沿触发两路ADC开始装换；BUSY信号在CONVST信号触发后；变成并保持为高电子状态，直到两路ADC转换完毕，才又回到低电平；地址A0用于对两路模拟信号的选择，CS信号和RD信号分别是芯片使能信号以及读允许信号。两者第一次同为低电平时，读出第一组ADC转换的数据；在第二次为高电平时，读出第二组ADC转换的数据。使用AD7862值得注意的一点是该芯片提供了电源管理功能，当芯片将第二组数据读出后，CONVST信号继续保持低电平，芯片进入休眠模式。这时芯片的功耗只有50μW。这一点对于现在的便携式设备十分重要。
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3 同步高速数据采集器的硬件设计

传统的高速数据采集卡一般都采用PCI总线设计，但是笔记本电脑以及大部分便携式设备是没有PCI插槽的。利用USB2．0技术，不仅保证了较高的数据传输率(传输率最大可以达到480Mbps)，同时还具有便携和无需外加电源等优点。图4是系统的结构示意图。它的工作原理是：在GPIF模块的控制下，由AD7862对目标进行等间隔采样，然后将采样结果通过GPIF传送到CY7C68013的内部FIFO中缓存；当采集一定量的数据后，CY7C68013自动将数据打包(不需要8051的介入)，通过USB总线传输到PC机中进行数据处理。由于有GPIF的硬件支持，CY7C68013中的8051内核只是在很少的时间内，对控制进行了辅助处理，大部分工作由GPIF硬件完成。这样8051还可以与其他外设进行互联等工作。在高速数据采集器上附加了两路RS-232接口，用于将GPS数据和高精度智能测深仪的数据中转到主控计算机上，大大方便了新近推出的笔记本电脑与传统外设之间的联系。因为新近推出的笔记本电脑大多不具有RS-232接口，而那些野外观测仪器大多只能通过RS-232接口进行数据交换。

对于CY7C68013来说，其配置和固件都是软的，存储在外部的E2PROM中，上电时

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