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具有USB2.0接口的高速数据采集卡设计


2字节的FIFO,端点2和端点4默认是OUT端点,端点6和端点8默认是IN端点,而端点2和6分别可以定义为2级、3级或4级的存储器,每级的大小也可以是512字节或1024字节。从EZ-USBFX2方向来看,一个端点相当于通过总线收发数据的缓冲区,EZ-USBFX2从OUT缓冲区中读取端点数据,将通过USB传的端点数据写入IN缓冲区。它求全责备速(12Mbps)和
  
  
  
  高速(480Mbps)传输速率,并具有USB协议所规定的4种传输方式,即控制方式(controlmode)、中断传输方式(interruptmode)、批量传输方式(bulkmode)和等时传输方式(isochronousmode)。
  
  EZ-USBFX2系列是基于RAM的“软”结构,在开发过程中允许无限制设置和升级;它支持全速USB总线吞吐量的传输,使用EZ-USBFX2进行设计,可以不受端点数、缓冲区大小和传输速度的限制;此外,其内核中做了大量的辅助指令,简化了编码,同时也加快了对USB特性的了解。基于以上EZ-USBFX2系列芯片的特性,在开发的过程中,采用了EZ-USBFX2系列中的CY7C68013芯片(128引脚),其简化结构如图2所示。
  
  FX2可配置成三种不同的接口模式Ports、GPIFMaster和SlaveFIFO,本项目采用SlaveFIFO模式。在该模式下,外部逻辑或外部处理器直接连接到FX2的端点FIFO,GPIF没有被激活,因为外部逻辑可以直接控制FIFO,所以FIFO的基本控制信号(标志、片选、使能)由FX2的引脚引出。外部控制可以是同步或异步,可以使用内部时钟,也可以向FX2的接口提供外部时钟。
  
  2.2FPGA芯片EP1C6-Q240
  
  在本设计中,所用的FPGA采用Altera公司最新的CYCLONE芯片EP1C6-Q240。它是一款高速价比的FPCA芯片,工作电压为1.5V,采用0.13μm工艺技术,全铜SRAM工艺,其存储器密度可达5980个逻辑单元,包含20个128×36位的RAM块,总的RAM空间达到92160位,内嵌了2个锁相环电路和一个用于连接SDRAM的特定双数据率(deficateddatarate)接口。此外,该芯片还支持多种不同的I/O标准(包括PCI接口,可连接ASSP和ASIC设备的接口以及串行设备接口等)。
  
  这里FPGA的作用除了与SDRAM构成一个大容量的FIFO以外,还需要完成一些控制功能。对于本文的应用,需要完成HDB3码到NRZ码的转换及数据的串并转换等。具体问题要具体分析,用户可根据自己的需求对FPGA进行编程。
  
  2.3A/D转换芯片MAX1180
  
  MAX1180是Maxim公司的双通道105Msps、3.3V工作电压、低功耗的高速A/D芯片,采样数据10位电平量化。它是采用差分输入,带有宽带跟踪/保持(track-and-hold)的双通道9级流水线型结构的ADCs,如图3所示。实际的芯片包括两个图示的电路,作为输入的两路通道,互不干扰。各路采样信号每半个时钟周期通过一个STAGE,完成连续转换到数据输出共需5个时钟周期。每个流水线首先通过一个1.5位的快闪ADC对输入电码量化,然后再由DAC产生一个对应于量化结果的电压并与输入电压作差,输出电压放大2倍后送到下一级流水线处理。A/D-D/A两次变化以及差分处理的目的在于进行差错校正,以保证在流水线上的各个阶段,ADC的偏移量得到补偿并且无代码丢失。
  
  2.4硬件连接
  
  根据系统对数据传输的速度和实时性的要求,配置CY7C68013工作的接口模式为SlaveFIFO模式。当进行数据采集时,硬件连接方式如图4所示。
  
  A/D转换器的采样时钟同时作为CY7C68013的SlaveFIFO模式的读写控制时钟,即CY7C68013的接口时钟连接到IFCLK引脚。SCWR/SLRD是CY7C68013SlaveFIFO的写使能/读允许信号。FPGA向C7C68013SlaveFIFO提供SlaveFIFO输出允许信号SLOE,仅在数据输出时有效。FD[15:0]为16位双向数据总线。FIFOADR1:0》为端点FIFO选择信号。在数据输入时固定为00,选择的是端点2;在数据输出时固定为10,选择的是端点6。
  
  3USB数据采集卡软件
  
  软件设计是一个USB设备开发的必备环节。USB应用系统软件设计分为三部分:初始化软件、主机操作系统上的客户驱动程序以及主机应用程序。初始化软件是下载到控制器中的固件代码,它响应各种来自系统的USB标准请求(包括USB设备的枚举、驱动程序的选择加载等),完成连接设备和主机的任务。主机应用软件通过客户驱动程序与系统USBI(USBDev

《具有USB2.0接口的高速数据采集卡设计(第2页)》
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