具有USB2.0接口的高速數據采集卡設計

摘要：討論基于USB接口的高速數據采集卡的設計與實現。詳細講述數據采集卡的硬件部分設計，并簡要介紹固件程序、驅動程序和應用軟件的設計。

    關鍵詞：USB2.0 FPFO FPGA 固件程序 主從系統

引言

數據采集在現代工業生產及科學研究中的重要地位日益突出，并且實時高速數據采集的要求也不斷提高。在信號測量、圖像處理、音頻信號處理等一些高速、高精度的測量中，都需要進行高速數據采集�，F在通用的高速數據采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，這些采集卡存在很多缺點，比如安裝麻煩，價格昂貴，尤其是受計算機插槽數量、地址、中斷資源的限制，可擴展性差。

通用串行總線USB是用來連接外圍設備與計算機之間的新式標準接口總線。它是一種快速、雙向、同步傳輸、廉價的并可以實現熱拔插的串行接口。USB技術是為實現計算機和通信集成而提出的一種用于擴充PC體系結構的工業標準�；�于USB接口的高速數據采集卡，充分利用了USB總線的優點，它也必將被越來越多的用戶所接受。

1 USB數據采集卡原理

1.1 USB簡介

USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它支持在主機與各式各樣即插即用的外設之間進行數據傳輸。它由主機預定傳輸數據的標準協議，在總線上的各種設備分享USB總線帶寬。當總線上的外設和主機在運行時，允許自由添加、設置、使用以及拆除一個或多個外設。USB總線技術的提出就是想利用單一的總線技術，來滿足多種應用領域的需要。USB1.1協議支持兩種傳輸速度，即低速1.5Mbps和高速12Mbps。為了在高速接口之爭中占有一席之地，2000年發布了USB2.0協議，它向下兼容USB1.1協議，數據的最高傳輸速率提高到480Mbps，這就使USB對打印機和其它需要快速傳遞大容量數據的外設更具吸引力。

為了滿足實際數據采集USB傳輸速度較高的需要，選擇了Cypress公司的內置USB接口微控制器芯片EZUSB FX2系列，開發了具有USB接口的高速數據采集卡。

1.2 系統框圖

USB系統是一個主從系統，而非對等（peer-to-peer）系統。在主從系統中，命令是由主設備發出，而從設備只能接收命令，只有在主設備讀取數據時，從設備才能提交數據。如圖1所示，在USB控制器與外圍電路之間需要一個FIFO，來充當數據的緩存區。那么，在USB從設備向主設備發送數據時存在一個問題：FIFO多大才能滿足要求。為了滿足數據采集中高速實時流數據垢應用，避免FIFO溢出，在我們的系統中，通過FPGA及SDRAM構造一個容量的FIFO（圖1虛線框內所示），可以提供一個低成本并能滿足高速實時流數據傳輸的解決方案。

圖2

2 USB數據采集卡硬件

2.1 EZ-USB FX2（CY7C680

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