基于USB接口的水量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通用串行總線（USB）支持熱插撥，真正的即插即用。USB1.1在全速傳輸時(shí)可以達(dá)到12Mbps的傳輸速率；低速傳輸時(shí)傳輸速率可達(dá)1.5Mbps。USB電纜線只有4根，兩根是電源線，傳送5V電源，可用來(lái)向設(shè)備供電；另外兩根是信號(hào)線，用來(lái)傳輸串行數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的RS－232串口比較，USB具有傳輸速度更快、集成化程度更高、編程化更好以及能夠支持多個(gè)設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。因此在我們的設(shè)計(jì)中用它來(lái)和主機(jī)接口實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常采用單片機(jī)或DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)作為CPU,控制ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）、存儲(chǔ)器和其他外圍電路的工作。但是單片機(jī)的時(shí)鐘頻率較低，難以適應(yīng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，而DSP雖然可以實(shí)現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其速度提高的同時(shí)也提高了系統(tǒng)的成本。FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）有單片機(jī)和DSP無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部時(shí)延??；全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。因此，在本系統(tǒng)中我們用FPGA來(lái)控制A/D和USB芯片的運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中FPGA采用ALTERA公司生產(chǎn)的APEX 1k系列芯片，型號(hào)為EP1K30，通過(guò)在EPGA中編寫硬件邏輯控制A/D轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器和USB 控制芯片間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線接口。除此之外，為了保證EPGA和USB控制芯片間數(shù)據(jù)交互過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，必須在FPGA中提供一個(gè)用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

2 A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)

在該系統(tǒng)中我們采用TI公司的ADS7800。它是12位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器[2>，接口簡(jiǎn)單，很容易控制，最大采樣率可達(dá)333kHz，輸入的電壓范圍為－10V～＋10V或－5V～＋5V。ADS7800芯片的數(shù)字接口比較簡(jiǎn)單，可以很方便地與其它數(shù)字系統(tǒng)相連接。對(duì)此芯片地控制有完全控制模式（full control mode ）和孤立控制磨蝕（stand-alone control mode ）兩種控制方法。

在本系統(tǒng)中，對(duì)ADS7800芯片的控制是通過(guò)在FPGA芯片中編寫控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的。我們采用了孤立控制模式，在此控制模式下，輸出數(shù)字信號(hào)是12位并行的。

利用FPGA芯片的可編程性可以使用芯片中的12個(gè)IO腳作為數(shù)據(jù)總線，另使用一些IO腳作為ADS7800的控制信號(hào)輸入，控制模/數(shù)變換器以32kHz的速率對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣的數(shù)據(jù)存入FPGA的RAM中。本系統(tǒng)中所使用的FPGA芯片型號(hào)為EP1K30QC208-3，它具有著良好的特性，芯片內(nèi)部共有3萬(wàn)個(gè)邏輯門，容量相當(dāng)大；6個(gè)嵌入式陣列塊，可是現(xiàn)最大為3k字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 USB接口芯片介紹

在設(shè)計(jì)中，我們選取Cyprees公司的EZ-USB系列芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)USB接口設(shè)備方的控制。它是一款帶有多個(gè)外設(shè)、高度集成的芯片，其功能框圖如圖2所示。一個(gè)集成的USB收發(fā)器（transceiver）連接USB總線的D＋和D－。串行接口引擎（SIE）對(duì)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行編/解碼、錯(cuò)誤檢測(cè)、位填充以及USB規(guī)范規(guī)定的其它信號(hào)級(jí)操作的實(shí)現(xiàn)，并且最終把數(shù)據(jù)收或發(fā)到USB接口部分。

圖2 EZ-USB系統(tǒng)框圖

內(nèi)部的微處理器是8051單片機(jī)的增強(qiáng)型，提高了執(zhí)行速度并增加了一些新的特性。它使用內(nèi)部RAM作為程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；帶有16位地址線和8位數(shù)據(jù)線用來(lái)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，特有的快速傳輸模式可以在外部邏輯和內(nèi)部USB FIFO間快速地傳遞數(shù)據(jù)。

3.2 USB總線數(shù)據(jù)通信解決方案

在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信解決方案時(shí)，為完成數(shù)據(jù)流地正常傳輸，所建立的硬件平臺(tái)必須能夠提供兩個(gè)接口。首先必須要有一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線接口；除此之外，為了保證數(shù)據(jù)交互過(guò)程的正常實(shí)現(xiàn)，必須提供一個(gè)用于傳輸通信雙方控制和狀態(tài)信息的GPIO接口。

AN2135SC芯片提供了EZ-USB系列芯片的所有接口和功能。在本系統(tǒng)中，我們將利用這款芯片和FPGA芯片配合工作，建立一個(gè)基于USB總線接口的數(shù)據(jù)通信解決方案，以實(shí)現(xiàn)將采樣信號(hào)輸出到上位機(jī)中的功能。

在此解決方案中，我們選擇AN2135SC芯片工作在快速數(shù)據(jù)傳輸模式下的8位并行數(shù)據(jù)總線D[7…0>作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€接口；選擇AN2135SC芯片中的通用 C總線主控制器接口作為數(shù)據(jù)通信過(guò)程中進(jìn)行控制和狀態(tài)信息傳輸?shù)腉PIO接口。這樣，芯片中的一般GPIO引腳就可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)其它功能，方便了系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)充。圖3所示為AN2135SC芯片與FPGA芯片的接口示意圖。

為了使AN2135SC芯片中快速數(shù)據(jù)傳輸模式下的數(shù)據(jù)總線D[7…0>和通用 主控制器分別完成流數(shù)據(jù)傳輸和控制狀態(tài)信息傳輸?shù)墓δ?，需要在芯片?051核中編寫程序，對(duì)AN2135SC芯片內(nèi)部相關(guān)的專用寄存器進(jìn)行配置[3>。