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引言 隨著社會的發展和技術的進步，各種計算機的外圍接口不斷的推陳出新。USB接口已漸漸成為現今個人計算機上最重要的接口之一，并以其傳輸速度快、使用方便和價格低廉等特點成為現今一般消費性電子產品和工業控制設備上不可缺少的接口。Cypress公司的EZ-USBFX2是一個USB2．0集成外圍控制器，它具有通用串行總線(USB)的3種傳輸模式：1．5 Mb／s的低速模式，12 Mb／s的全速模式，480 Mb／s的高速模式。因此，本設計選用USB2．0芯片CY7C68012、Altera公司的FPGA和TLC5510組成一個通用的數據采集和傳輸系統。該系統結構簡單，采集和數據傳輸可靠，能夠滿足現今高速設備的要求。 1 系統硬件設計 本系統主要分為兩個部分，一部分是由2片TLC5510和FPGA構成的數據采集模塊，另一部分是由FPGA和EZ—USB FX2構成的數據傳輸模塊。系統的框圖如圖1所示。 
(1)數據采集模塊 經過調理后的信號進入模數轉換電路，選用的高速AD芯片是TI公司的TLC5510。TLC5510是CMOS、 8位、20 Msps的模數轉換電路。它采用半閃速結構，單電源5 V工作時，功耗只有100 mW，內含采樣和保持電路，具有高阻抗方式的并行接口和內部基準電阻。與閃速轉換器相比，半閃速結構減少了功率損耗和晶片尺寸。通過在兩步過程中實現轉換，可以大量地減少比較器的數目，轉換數據的等待時間為2．5個時鐘周期，且高速轉換的同時能夠保持較低的功耗。TLC5510與FPGA的接口電路如圖 2所示。
FPGA提供TLC5510 20 MHz的工作時鐘和使能輸出信號OE，低電平有效，同時接受TLC5510的采樣數據。由于系統需要同步的兩路采樣，所以由FPGA輸出的時鐘和使能輸出信號OE同時控制2個TLC5510。這樣FPGA就可以同時收到兩路同時采樣的信號數據，將其存入兩個獨立的異步FIFO中。 值的注意的是，實驗中將FPGA產生的工作時鐘和使能輸出信號先輸入74HCT573，然后由74HCT573的輸出去控制兩路的TLC5510。這主要是完成將FPGA的CMOS電平轉換成TTL電平的工作。在實驗的初期，未經過電平轉換的信號在控制TLC5510時，得不到穩定數據。后來經過改善后，TLC5510能夠穩定、準確地完成采樣和數據輸出。 (2)數據傳輸模塊 在數據傳輸模塊中，為了保證較高的傳輸速度，使用不經過CPU的SLAVEFIFO控制工作模式。模塊的基本工作過程為：當A／D采樣數據存儲滿 FPGA中的FIFO后，FPGA根據SLAVEFIFO的控制時序產生相應的控制信號，將在FIFO中的數據傳輸給EZ-IJSB FX2的內部端點FIFO，而當內部端點存儲滿后，FX2自動將數據傳輸到上位機。外部控制器FPGA對FX2的控制進程如下： ①IDLE，當寫事件發生時，轉向狀態1。 ②狀態1，指向EZ-LJSB FX2的內部端點IN FIFO，激活FIFOADR[1：0]，轉向狀態2。 ③狀態2，如果內部端點FIF0滿標志為“假”(FIFO不滿)，則轉向狀態3；否則停留在狀態2。 ④狀態3，傳送總線驅動數據。產生一個SLWR跳變，轉向狀態4。 ⑤狀態4，如果有更多的數據要寫，則轉向狀態2；否則，轉向IDLE。 EZ-JSB FX2內部端點FIFO異步寫的時序如圖3所示。
2 FPGA的模塊設計 在系統中，FPGA構成了數據采集系統和數據傳輸系統的“橋梁”，完成對TLC25510的控制和數據的存儲，同時也完成對EZ-USB FX2單片機的控制。利用FPGA強大的功能，使電路的結構得到了簡化，不需要利用分立器件來完成對數據的存儲。因此，在FPGA中需要構成4個模塊：2片FIFO數據存儲模塊、數據通道選擇模塊、控制模塊和輸出20 MHz時鐘的PLL模塊。 (1)2片FIFO數據存儲模塊 FIFO數據存儲模塊主要完成對A／D轉換數據的存儲。由于需要兩路同時采集數據，所以要有2個FIFO模塊，這樣易于對數據的存儲和傳輸控制。每個FIFO存儲模塊的存儲容量定為2 048 B，可通過MegaWizard工具來調用。 (2)數據通道選擇模塊 數據通道選擇模塊主要是針對兩路的數據讀取和傳輸而設計的。當A／D轉換器采集到對應的數據后，存入兩個異步FIFO存儲模塊中。在兩個異步 FIFO存儲模塊存儲滿后，對FIFO存儲模塊數據的讀取是關鍵。數據通道選擇模塊的基本原理是在控制模塊對讀取數據進行計數，當把其中的一個FIFO存儲模塊讀取完后，由控制模塊發出通道切換信號，由數據通道選擇模塊切換數據通道，再讀取另一個FIFO存儲模塊的數據。 (3)控制模塊 控制模塊要完成對TLC5510、FIFO存儲模塊、數據選擇模塊和EZ—USB FX2的控制，這是整個系統的關鍵。根據系統實現的功能和各個模塊的控制時序，控制模塊將產生相應的控制信號，實現系統的采集和存儲的功能。 (4)20 MHz時鐘的PLL模塊 系統提供的FPGA外部時鐘頻率為50 MHz，而TLC5510的最大采樣工作頻率為20 MHz。所以通過對前置分頻參數N=5、倍頻器參數M=2的設置，將50 MHz鐘頻率分頻成20 MHz的時鐘作為采樣時鐘和系統的工作時鐘。 3 EZ—USB FX2的固件設計 固件程序是指運行在設備CPU中的程序。只有在該程序運行時，外設才能稱為具有給定功能的外圍設備。C2ypress公司為FX2固件開發提供了一個固件庫和固件框架，都是在Keil C51集成開發環境下開發的。固件庫提供了一些常量、數據結構、宏、函數來簡化用戶對芯片的使用。固件框架實現了初始化芯片、處理USB標準設備請求以及掛起狀態下的電源管理等功能。該框架不添加任何代碼，編譯后生成的．HEX文件載人芯片就能和主機進行基本的USB通信。用戶主要的工作就是選擇適合的傳輸方式，添加需要使用的端點，在框架預留的地方(如TD_Init()、TD_Poll()等函數中)添加初始化代碼和完成特定功能的代碼。這樣大大簡化了用戶對程序的編寫，在不十分了解USB2．O協議的情況下，也能通過代碼的編寫，實現USB的傳輸功能。
4 EZ—USB FX2的驅動程序 該系統需要通用驅動程序和下載固件的驅動程序。通用驅動程序完成與外設和用戶程序的通信及控制；而下載固件的驅動程序則只負責在外設連接USB總線后把特定的固件程序下載到FX2的RAM中，使FX2的CPU重啟，模擬斷開與USB總線連接，完成對外設的重新設置。FX2根據新的設置安裝通用驅動程序，重新枚舉外設為一個新的USB外設。通用驅動程序一般不需要重新編寫，用Cypress公司已經編好的驅動ezusb．sys；而下載固件程序的驅動則必須定做。 5 上位機用戶程序 上位機用戶程序主要通過VC++完成。實現從USB設備從下位機讀取指定數量的數據和向下位機發送特定的控制數據。用戶程序對EZ—USB FX2的控制，主要是通過I／0控制調用來訪問ezusb．sys通用驅動程序，而對I／O控制的調用是通過win32的API函數來完成的。因此，用戶程序通過對API函數的調用來實現與驅動程序進而與硬件的通信。API函數的執行與驅動函數中的一些分發例程相對應。與EZ-USB FX2通信常用的API函數如表1所列。
應用程序先通過CreatFile()得到設備驅動程序的句柄，然后使用DeviceloControl()來提交I／O控制碼，并且設置好讀取和發送數據的緩沖區，最后通過CloseFile()來關閉設備。圖4是上位機應用程序界面。 結語 EZ—USB FX2使上位機與下位機之間的數據傳輸更加快捷和可靠。基于FPGA和EZ-USB FX2的數據采集和傳輸系統滿足現代高速設備對傳輸速度的要求，解決了傳輸速度慢的瓶頸。通過FPGA的模塊設計、EZ-USB FX2的固件設計和上層應用程序設計，實現了整個系統的數據采集和傳輸。 參考文獻 1. TLC5510 2. 溫華 基于FPGA 的USB2.0控制芯片設計與實現 [學位論文] 2004 3. 王彥 基于FPGA的工程設計與應用 2007 4. 錢峰 EZ-USB FX2單片機原理、編程及應用 2006 5. 鄭阿奇 C++ 實用教程 2008 6. 馬石安.魏文平 Visual C++程序設計與應用教程 2007 7. 李強 基于 USB2.0的高速數據采集系統研究 [學位論文] 2007 作者：麗水學院 呂曄 周洪強 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009（5） |
