基于USB总线的高速数据采集系统

在“端口”模式下，所有Ｉ／Ｏ引脚都可作为８０５１的通用Ｉ／Ｏ口。

在“从ＦＩＦＯ”模式下，外部逻辑或外部处理器直接与ＦＸ２端点ＦＩＦＯ相连。在这种模式下，ＧＰＩＦ不被激活，因为外部逻辑可直接控制ＦＩＦＯ。这种模式下，外部主控端既可以是异步方式，也可以是同步方式，并可以为ＦＸ２接口提供自己的独立时钟。

“ＧＰＩＦ主控”接口模式使用ＰＯＲＴＢ和ＰＯＲＴＤ

构成通向四个ＦＸ２端点ＦＩＦＯ（ ＥＰ２? ＥＰ４? ＥＰ６和ＥＰ８）的１６位数据接口。ＧＰＩＦ作为内部的主控制器与ＦＩＦＯ直接相连，并产生用户可编程的控制信号与外部接口进行通信。同时，ＧＰＩＦ还可以通过ＲＤＹ引脚采样外部信号并等待外部事件。由于ＧＰＩＦ的运行速度比ＦＩＦＯ快得多，因此其时序信号具有很好的编程分辨率。另外，ＧＰＩＦ既可以使用内部时钟，也可以使用外部时钟。故此，笔者选择了ＧＰＩＦ模式。

高速数据采集卡的设计存在两大难点：一是模拟信号的Ａ／Ｄ高速转换；二是变换后数据的高速存储及提取。对于第一个问题，由于制造ＡＤＣ的技术不断进步，这个问题已经得到解决。而对于第二个问题，一般的数据采集系统是将Ａ／Ｄ转换后的数据先存储在外部数据存储器中，然后再对其进行处理。对于高速数据采集而言，这种方式将严重影响采集速度，且存储值也会受到很大限制。而改进方案是将Ａ／Ｄ转换后的数据直接送至计算机内存，这样，采集速度将大大提高，而且可存储大量数据，以便于下一步的处理。

为了解决同步问题，可以由ＣＰＬＤ产生同步时钟信号提供给ＡＤＣ和ＦＸ２。在本数据采集系统的设计中，ＣＰＬＤ同时还可用于产生不同的控制信号，以便对采样进行实时控制。ＣＰＬＤ是复杂可编程逻辑器件，它包括可编程逻辑宏单元、可编程Ｉ／Ｏ单元和可编程内部连线。由于ＣＰＬＤ的内部资源丰富，因而可广泛应用在数据采集、自动控制、通讯等各个领域。在本系统的设计中，笔者选用的ＣＰＬＤ是Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ｉｓｐＬＳＩ１０１６。图２所示是其整个ＵＳＢ接口卡的硬件电路图。

３　系统软件设计

该系统软件主要包括ＵＳＢ设备驱动程序、设备固件和应用程序。

３．１ 设备固件（Ｆｉｒｍｗａｒｅ）设计

设备固件是设备运行的核心，可采用汇编语言或Ｃ语言设计。其主要功能是控制ＣＹ７Ｃ６８０１３接收并处理ＵＳＢ驱动程序的请求（如请求设备描述符、请求或设置设备状态，请求或设置设备接口等ＵＳＢ２．０标准请求）、控制芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３接收应用程序的控制指令、控制Ａ／Ｄ模块的数据采集、通过ＣＹ７Ｃ６８０１３缓存数据并实时上传至ＰＣ等。

即使外部逻辑或内置的普通可编程接口(ＧＰＩＦ)在没有ＣＰＵ的任何干涉下能够通过四个大的端点ＦＩＦＯ来处理高速宽带数据，固件还是有如下固定的工作：

●配置端点；

●通过控制端点零来响应主机请求；

●控制和监测ＧＰＩＦ的活动；

●利用ＵＳＡＲＴ处理所有的特殊请求任务，如计时器、中断、Ｉ／Ｏ引脚等。

３．２ ＵＳＢ设备驱动程序开发

ＵＳＢ系统驱动程序采用分层结构模型?分别为较高级的ＵＳＢ设备驱动程序和较低级的ＵＳＢ函数层。其中ＵＳＢ函数层由两部分组成：较高级的通用串行总线驱动程序模块（ＵＳＢＤ）和较低级的主控制器驱动程序模块（ＨＣＤ）。

在上述ＵＳＢ分层模块中，ＵＳＢ函数层（ＵＳＢＤ及ＨＣＤ）由Ｗｉｎｄｏｗｓ提供，负责管理ＵＳＢ设备驱动程序和ＵＳＢ控制器之间的通信；加载及卸载ＵＳＢ驱动程序；与ＵＳＢ设备通用端点（ｅｎｄｐｏｉｎｔ）建立通信并执行设备配置、数据与ＵＳＢ协议框架和打包格式的双向转换任务。目前?Ｗｉｎｄｏｗｓ提供有多种ＵＳＢ设备驱动程序，但并不针对实时数据采集设备，因此需采用ＤＤＫ开发工具来设计专用的ＵＳＢ设备驱动程序。该设备驱动程序应由初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块以及Ｉ／Ｏ功能等四个模块来实现。

初始化模块可提供一个ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ入口点以执行大量的初始化函数。

即插即用管理模块用来实现ＵＳＢ设备的热插拔及动态配置。当硬件检测到ＵＳＢ设备接入时，Ｗｉｎｄｏｗｓ查找相应的驱动程序，并调用它的ＤｒｉｖｅｒＥｎ-ｔｒｙ例程，同时告诉它添加了一个设备；然后，驱动程序为ＵＳＢ设备建立一个ＦＤＯ（功能设备对象）。在此处理过

《基于USB总线的高速数据采集系统(第2页)》