基于USB2.0和DDR2的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、微電子和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)、圖像處理、雷達(dá)系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是應(yīng)用于芯片現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 由于被測(cè)試芯片為250 MHz 8 bit的高速AD輸出， 因此， 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集率是2 Gbps。為了達(dá)到實(shí)時(shí)、高速、海量的數(shù)據(jù)采集， 該系統(tǒng)利用DDR2 SDRAM的高速數(shù)據(jù)傳輸能力和海量存儲(chǔ)能力做為采集數(shù)據(jù)的緩存，然后通過(guò)具有即插即用、易擴(kuò)展、傳輸速率較高等特點(diǎn)的USB2.0接口來(lái)將DDR2 SDRAM中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)由硬件部分、固件部分和計(jì)算機(jī)上的USB驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序等幾大部分組成， 本文完成了硬件和固件部分的設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)的硬件部分主要由USB2.0、DDR2SDRAM、MCU以及IF等核心模塊組成， 圖1所示是其系統(tǒng)架構(gòu)圖。

系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

USB2.0由控制器和物理傳輸層組成， 其中控制器是在FPGA上實(shí)現(xiàn)的Faraday公司的IP核， 物理層可選用SMSC公司的GT3200芯片， 控制器與物理層芯片之間可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的UTMI接口相連。

DDR2 SDRAM控制器是基于Xilinx公司提供的IP核， 工作頻率是125~266 MHz， 與SDRAM之間的接口是64 bit SODIMM筆記本內(nèi)存條接口。作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的SDRAM 是Samsung 公司的M470T5663QZ3-CE6 2GB 內(nèi)存條。系統(tǒng)的控制核心MCU采用Mentor Graphics公司的增強(qiáng)型8051 IP核M8051EW， 該8051核采用兩個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期的高性能架構(gòu)， 同時(shí)支持MWAIT信號(hào)來(lái)控制程序總線(xiàn)， 從而能夠支持慢速的外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。IF模塊是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 它相當(dāng)于DMA的功能， 主要負(fù)責(zé)USB與DDR2、外部數(shù)據(jù)接口與DDR2之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用USB2.0和DDR2SDRAM相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路， 從而打破了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集中大容量和高速率不可兼得的瓶頸。在圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)的四個(gè)部分中， 由于USB2.0和DDR2控制器都是IP核， 因此， 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于MCU和IF模塊。

2.1 MCU的設(shè)計(jì)

MCU是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心， 主要用于對(duì)USB2.0控制器進(jìn)行配置、查詢(xún)和處理USB事務(wù)， 以及解析USB設(shè)備請(qǐng)求， 同時(shí)， 還需配置IF模塊， 處理與IF模塊之間的控制信號(hào)等， 因此，MCU的設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)接口及控制信號(hào)的設(shè)計(jì)以及固件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

MCU數(shù)據(jù)總線(xiàn)接口包括與USB2.0控制器和與IF模塊的接口， 這里的USB2.0控制器和IF模塊相當(dāng)于外部設(shè)備掛在MCU的外部存儲(chǔ)器總線(xiàn)和ESFR(外部特殊功能寄存器) 總線(xiàn)上?？刂菩盘?hào)主要用于計(jì)算機(jī)上的控制臺(tái)控制IF模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始與結(jié)束， 通常包含在USB的設(shè)備請(qǐng)求中。

整個(gè)固件的開(kāi)發(fā)可在Keil C下完成， 并可通過(guò)JTAG進(jìn)行調(diào)試。開(kāi)發(fā)一般包括三部分： 一是協(xié)助USB控制器完成總線(xiàn)列舉過(guò)程， 讓計(jì)算機(jī)識(shí)別USB設(shè)備； 二是通過(guò)解析自定義USB設(shè)備請(qǐng)求，來(lái)對(duì)采集模式、深度等進(jìn)行配置， 從而控制采集的開(kāi)始與結(jié)束； 三是查詢(xún)和處理IN、OUT事務(wù)中斷， 并控制USB數(shù)據(jù)傳輸。[next]

2.2 IF模塊設(shè)計(jì)

IF模塊負(fù)責(zé)接口的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。其中， usb2ddr和eoc2ddr子模塊分別控制USB2.0與DDR2 SDRAM、外部采集接口與DDR2 SDRAM之間數(shù)據(jù)的上下行傳輸。

上下行數(shù)據(jù)傳輸分別由usb2ddr_ctrl 和eoc2ddr_ctrl模塊中的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行控制和管理。其中采集模式和深度由MCU的ESFR總線(xiàn)配置， 而傳輸開(kāi)始信號(hào)則使用MCU的PORT0 [0]、PORT0[1]， 結(jié)束信號(hào)連接在MCU的外部中斷NINT0和NINT1上， 這樣可使MCU能夠及時(shí)響應(yīng)。上行采集開(kāi)始后， 首先使eoc2ddr_ctrl中的控制狀態(tài)機(jī)處于寫(xiě)狀態(tài)， 并不斷地比較DDR2的地址與配置深度， 直到采集完成。然后再使usb2ddr_ctrl中的控制狀態(tài)機(jī)處于讀狀態(tài)， 同樣也比較地址與深度，直到數(shù)據(jù)讀取完成。下行傳輸過(guò)程則與之相反。

IF模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖2 IF模塊結(jié)構(gòu)框圖。

由于各個(gè)接口上數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾什煌?因此， 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)， 要異步FIFO或者緩存。在本設(shè)計(jì)中， 由于各接口速率固定， 因此， 可采用雙端口RAM作乒乓緩存方式以提高效率并保證數(shù)據(jù)連續(xù)， 圖3所示是乒乓緩存原理圖。

乒乓緩存原理圖

圖3 乒乓緩存原理圖。

當(dāng)下行發(fā)出數(shù)據(jù)時(shí)， 從DDR2的125 M×128bit到50 M×8 bit所需要的最小深度為32×8 bit， 因?yàn)閺腟DRAM中讀數(shù)據(jù)的最大延遲是26個(gè)DDR2時(shí)鐘周期(即208 ns)， 而將DDR2讀出的128 bit發(fā)出則需要16個(gè)時(shí)鐘周期(即320 ns)， 因此， 為了保證發(fā)出的數(shù)據(jù)可連續(xù)進(jìn)行乒乓操作， 需要2×128bit的深度。同理， 在上行數(shù)據(jù)從DDR2的125 M×128 bit到USB的30 M×32 bit則需要4×128 bit深度，因?yàn)閁SB時(shí)鐘讀完128 bit數(shù)據(jù)需要133.2 ns， 小于SDRAM 讀數(shù)據(jù)延遲的208 ns， 因此， 每次從SDRAM中讀2×128 bit數(shù)據(jù)時(shí)， 其乒乓操作就至少需要4×128 bit深度。

3 系統(tǒng)的改進(jìn)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做了創(chuàng)新型改進(jìn)。改進(jìn)主要是三個(gè)方面： 一是對(duì)數(shù)據(jù)采集的深度實(shí)行可配置模式； 二是在功能上不僅作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 還能作為數(shù)據(jù)發(fā)生器， 即將采集到計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送出來(lái)； 三是該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有兩種工作模式， 即普通采集模式和觸發(fā)采集模式。

深度可配置增加了系統(tǒng)在使用過(guò)程中的靈活性。該系統(tǒng)除了采集數(shù)據(jù)外， 還能將數(shù)據(jù)發(fā)出來(lái)用于芯片的FPGA原型驗(yàn)證， 從而避免了緩慢的大數(shù)據(jù)量仿真， 更增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性。通過(guò)ESFR配置8 bit的深度寄存器可實(shí)現(xiàn)以16 MByte為單位的深度調(diào)節(jié)。觸發(fā)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不可缺少的功能， 因此， 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為普通采集模式和觸發(fā)采集模式。觸發(fā)采集模式的原理如圖4所示。在觸發(fā)模式中， 可將SDRAM看做一個(gè)圓形的循環(huán)存儲(chǔ)器， 觸發(fā)前后的采集深度同樣也可以通過(guò)ESFR配置， 從而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)前后的采集深度比例可調(diào)。

觸發(fā)實(shí)現(xiàn)機(jī)制原理圖

圖4 觸發(fā)實(shí)現(xiàn)機(jī)制原理圖。[next]

4 FPGA實(shí)現(xiàn)

FPGA在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性， 因此， FPGA是一個(gè)非常好的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的資源*估， 可得出如表1所列的資源占用結(jié)果。

表1 FPGA的資源占用情況。

FPGA的資源占用情況

本系統(tǒng)最終選擇了Xilinx 公司的FPGA器件Virtex5 LX30。由于DDR2 SDRAM控制器是Xilinx公司的IP核， 故在系統(tǒng)的集成和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中不可避免的要對(duì)原IP核進(jìn)行改動(dòng)， 同時(shí)， 在ISE中布局布線(xiàn)時(shí)， 相應(yīng)地要對(duì)原有UCF文件中的約束進(jìn)行修改， 以滿(mǎn)足時(shí)序要求。本系統(tǒng)除USB2.0的PHY和SDRAM外， 其余部分均由FPGA實(shí)現(xiàn)， 圖5所示是系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上的操作界面和實(shí)物圖。

操作界面和FPGA實(shí)物圖

圖5 操作界面和FPGA實(shí)物圖。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合USB2.0與DDR2 SDRAM的特點(diǎn)， 給出了可打破普通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)時(shí)、高速和大容量數(shù)據(jù)采集上的瓶頸的方法， 并且在實(shí)用性方面進(jìn)行了改進(jìn)。該系統(tǒng)最終可在FPGA上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橛肍PGA實(shí)現(xiàn)具有極大的靈活性和可擴(kuò)展性，并且在系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本和快速實(shí)現(xiàn)上具有很好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。目前， 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中效果良好。實(shí)際上， 若對(duì)采集接口稍加改進(jìn)， 并將IF模塊中的乒乓緩存改為異步FIFO， 就能廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)高速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。