基于USB2.0的高速数据采集器设计

董文信，柴克谦，张福雄（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

基于USB2.0的高速数据采集器设计

董文信，柴克谦，张福雄
（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

USB2.0数据采集系统包括硬件和软件两个方面，本文对基于USB2.0的高速数据采集系统进行了研究 ， 完成对USB2.0高速数据采集系统的硬件电路设计，而软件方面则选取Cypress公司的FX2系列的芯片进行框架搭建和驱动软件编写。

硬件设计；软件编写；AD7862

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.126

0　引言

科学技术的发展使数据采集在各个方面的运用越来越多。因此应用背景对高速数据采集系统提出了越来越高的要求。USB2.0接口是计算机重要的外设接口，现如今已广泛推广开来，它具有使用方便，传输速度快、稳定性高、占用系统资源少、与外部接口简单等特点。因此选择采用USB2.0来完成对数据的采集和传输，十分符合现如今的需求。基于USB2.O的高速数据采集系统正是在这样的趋势下应运而生。设计开发时选择了在市场上具有最优的性价比的Cypress公司的EZ-USBFX2系列的CY7C68013芯片，以此为平台开发高速数据采集器。

1　总体设计

设计高速数据采集器主要包括三个方面：高速数据采集芯片AD7862、硬件设计、软件设计。

采集芯片AD7862：该芯片是AD公司生产的双核12位A/D转换芯片，即内置两个可以同时工作的A/D转换器，因此可以满足高速采集数据的要求。两个采样放大器和两个A/D转换可以对两路模拟输入信号同时采样和转换。芯片正常运行时内置5V基准电压且功耗只有60mW，所以适合USB设备使用。

在采集过程中，转换开始低电平有效，下降沿触发开始转换，保持两个采样放大器保持平稳。BUSY信号此时为高电平，表示转换还未结束。直到A/D转换完毕才回到低电平。转换结束后AO用于两路模拟信号（VA1、VA2和VB1、VB2）地址选择。

2　硬件设计

EZ-USBFX2芯片：CY7C68013，具有高效GPIF和智能SIE特点，可使数据传输和采集达到USB2.0可通过率的最大值，而且能处理兼容性的问题，扩大了采集器的应用范围。CY7C68013芯片可编程的外围接口可以直接连接到并口，并可通过编程设置多种工作方式。

目前的高速数据采集器都应用与电脑等数据传输量大的设备，而USB2.0技术的开发就是为了满足高速传输和采集的要求，在利用CY7C68013芯片开发过程中，GPIF（可编程接口）是CY7C68103的端点FIFO的内部控制器，可软件设置读写控制波形，通常使用Cepress公司的GPIF开发工具实现。在波形设计完成后，GPIF将依据波形产生相应的控制和信号给外界接口。通过这种方法，对GPIF进行软件编译，可以实现FIFO的读写需要和控制逻辑。数据采集原理：利用GPIF模块自主设计的优点，来控制采集芯片AD7862对目标进行采样，在采样结束后将采样结果通过GPIF传送到CY7C68013的内部FIFO中缓存。

3　软件设计

软件设计包含了三个部分，有图1所示的CY7C68013的固件，主机平台上的设备驱动程序和应用程序。

图1　

3.1固件设计

固件设计是指芯片上的固件程序设计，主要目的是控制芯片上的微控制器，接收和处理USB驱动程序请求，控制应用程序传输数据。在设计过程中，应用Cypress公司提供的开发平台上，利用C语言进行开发，设计芯片上运行程序。

3.2驱动程序设计

USB驱动程序分为通用驱动和下载固件驱动，通用驱动指外设与目标端口连接产生通信，一般在Cypress的程序开发包中有，不需要编写。而下载固件驱动是在外设与目标端口连接后，需要下载特定的固件程序，来重新设置通用驱动。

在程序运行后，每当有一个USB接口接入时，搭建好的软件自动会将插入设备的信息为依据去调用相应的驱动和程序，之后通过USB设备驱动程序与USB服务接口进行通信，并由其产生传送动作。而固件部分通过响应各种不同的USB请求，来完成各个数据的交换与处理。固件架构其实是用以连接了USB兼容的外围设备的基本功能，在对最基础的符表文件进行链接，对大的架构代码做少些的修改或添加，以适应不同固件环境下的兼容问题，再如右上图中链接cypress的子程序完善兼容功能。

其实整个系统就是对FPGA与主机的相互调节控制，通过微控制器的操作，我们得以将整个桥梁完整有机的搭建起来，对USB接口的控制，从而与计算机进行通信，还有对FPGA对话，设置工作模式，接口的控制都是系统实现的保证。

预期成果包括软硬件系统一套，能实现上述方案的全部功能。

4　结语

随着计算机技术的飞速发展， 数据的采集、存储、处理以及控制要求越来越高，所以高速数据采集系统起到积极应用。凭借即插即用、总线供电、可扩展、传输速度快、数传准确度高和使用方便等优点，USB2.0的这些优点使得USB设备得到了广泛应用。目前，几乎所有的计算机都支持USB总线。 本文主要从硬件和软件设计两个方面论述了高速数据采集的开发过程，重点阐述了硬件设计的原理、固件程序的设计思想、应用程序的设计、固件下载驱动程序的开发 。