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1、USB 接口数据采集系统在气象卫星云图接收设备中的应用黄莉赵春年( 南京大桥机器有限公司南京2 1 11 0 1 )擒要本文结合气象卫星云图接收设备数据采集的实际需要，设计了一种基5 - U S B ( 通用串6 r 薏, - 线) 接口的 数据采集系统该系统通过对U S B - 接口控制逻辑的合理设计和芯片内部F I F O # 有效运用，充分应用了F P G A 的 灵活性，采用单片U S B 4 妻口控制芯片实现对卫星云图数字信号的实时采集，具有成本低、实现方便等优点。 关键词C Y 7 C 6 8 0 1 3U S B 2 0教籀采集固件。1 引言现代工业生产和科学研究对数据采集的要求
2、日益提高，在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要进行高速数据采集。现在通用的高速数据采集卡一般多是P c l 卡或I S A 卡，存在安装麻烦、价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无 法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。通用串行总线( U n i v e r s a lS e r i a lB u s ，i ! P U S B 总线) 凭借其即插即用、热插拔以及较高的传输速率等优点，成为P c 机与外设连接的普遍标准，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于U S B 的高速数据采集卡充分利用U S B 总线的上述优点
3、，有效解决了传统高速数据采集卡的缺陷。2 0 0 0 年发布的U S B 2 o t g 范提供了6 8 0 M b s 的传输速率，满足了更快的数据传输要求。为了使数据采集卡快速地向P c 机传送大量的数据，我 们在设计数据采集系统与P c 机的接口时采用U S B 2 0 技术。以C y p r e s s 公司的E Z U S BF X 2 系列中的C Y 7 C 6 8 0 1 3 芯片作为核心控制器，设计开发了一套符合U S B 2 o 标准的数据采集系统。 2 系统组成及原理整个数据采集系统总体框架分采集控制部分、U S B 接1 2 1 控制部分和主机应用软件三部分。系统框图如
4、图l 所示。在本系统中采用的是双帧存储结构，每个由一片I D T 7 0 V 2 7S R A M 构成，能够存放一帧卫星云图数据。由于采用了乒乓机制，两片存储器之间交替工作，从而使云图数据的采集和传输并行进行。当接收到卫星云图数据的信息码和位同步码时，F P G A 首先从信息码中提取出帧同步，产生相应的帧同步脉冲，确定信息段的开始，然后将信息段的数据通过控制逻辑存储到s R A M l 中，为确保在任何时刻只有一片S R A M 可以读取采集到的云图数据，设置了一个读互锁，同样，只有一个S R A M 可接收采集到的云图数据，因此，又设置了一个写互锁。当一帧云图数据的采集，存储过程结束后，
5、S R A M l 进入写结束状态。此时切换S R A M 。 S R A M 2 继续存储采集到的数据，同时jS R A M l 处于可读状态，由F P G A 里的控制逻辑控制，将S R A M l 中的数据传输N u s 8 芯片，然后传输到主机。本系统采用双S R A M 结构和乒乓机制，两片存储器交替工作，使 图像的采集和传输并行进行。双帧存结构有效地提高了系统的工作效率。 在本采集系统中，UsB 芯片C Y 7 c 6 8 0 1 3 采用S l a v eF I F O 异步工作方式，把F I F O i f l g 置成和E P 2 端口相连、每个数据 包1 0 2 4 字节、
6、甥冲的方式，块传输模式。这样的设置可以满足系统要求，同时也有 效地利用了内部的4 k BF I F O 来传输采集到的云图数据，系统控制使用了F A L G B 信号 引脚，用来报告“F I F O 满”的状态，默认为低电平有效。本文采用的是自动输入方广= 刮缓打器JN ( 0 0yF P ( 认C Y 7 Cd 巫b6 8 0 1 3图l 基于U S B 数据采集系统的系统框图2 3 7式，当F I F O 中的数据满一定量时，E Z U S B F X 2 就直接通过F I F o 把数据传送N v s a 收发器，而不经过C P U 的干预，这样就提高了传输速度。 3 硬件设计3 1U
7、S B 控制芯片C y p r e s s 公司的E Z U S BF X 2 系列芯片是最早 符合U S B 2 0 协议的微控制器之一。它集成了收发器f t r a n s c e i v e r ) 、串行接口引擎( S I E ) ，增强型 的8 0 5 1 内核以及可编程的外围接口( G P I F ) F X 2 系列芯片独特的结构使数据传输速度最高可达至i 5 6 M b p s ，最大程度地满足了U S B 2 0 的带宽。 C Y 7 C 6 8 0 1 3 的结构框图如图2 所示。t ，图2C Y 7 C 6 8 0 1 3 结构框图F X 2 的端点缓冲区分为大小两组：E
8、 P 0 、E P l ( 1 N ) 、E P l ( O U T ) 是小端点，大小为6 4 字节，只能由C P U 来存取，不能由外部逻辑连接；E P 2 、E P 4 、E P 6 、E P 8 是大的可配置的端点，E P 2 和E P 4 默认为O U T 端点，E P 6 和E P 8 默认为I N 端点。F X 2 为其大端点提供多种缓冲方式，满足了传输中高带宽的要求，传输过程中 E Z U S B F X 2 从I N 缓冲区中读取上传到主机的数据，在O U T 缓冲区中写入供外部处理器读取的数据。 它具备全速( 1 2 M b p s ) 和高速( 4 8 0 M b ) 两
9、种传输速率，并具有协议所规定的讲传输模式，即控p sU S B制传输( c o n t r o l m o d e ) 、中断传输( i n t e r r u p tm o d e ) 、块传输( b u l km o d e ) 和等时传输( i s o c h r o n o u s m o d e ) 。3 2I D T 7 0 V 2 7、I D T 7 0 V 2 7 是由美国I D T 公司生产的高速大容量先进先出存储器件( F I F O ) 。其最高工作频率为 6 7 M H z ；容量为3 2 K + 1 6 ；I D T 7 0 V 2 7 可以设置标准工作模式或者F w
10、 F T ( F i r s tW o r dF a l lT h r o u g h ) 工作模式，并提供全满、半满、全空、将满以及将空等五种标志信号；非常方便进行容量扩展。容量扩展是I D T 7 2 V 2 1 1 3 的一大特点，扩展方式可分为字长扩展和字深扩展。通过容易扩展可以由多片I D T 7 2 V 2 1 1 3 形 式更大容量的缓冲，并且电路连接简单、可靠。3 3F P G A 芯片E P F l 0 K 2 0在本设计中，所用的F P G A 采用A l t e r a z 司的E P F l 0 K 2 0 T C l 4 4 。它提供多达6 3 0 0 0 个可用门、
11、1 1 5 6 + 逻辑单元，1 4 4 个逻辑阵列。可以容纳各种独立的组合逻辑和时序逻辑功能，内置J T A G 边界扫描测试电路，可以通过J T A G I S 进行在线编辑，设计者可将设计内容) A p c 机上通过下载电缆和J T A G H 对其进行任意次修 改，它有多达1 0 0 个I o 引脚可供编程使用，方便系统扩展存储空间和外设。本系统使用E P F I O K 2 0 的主要功能是对卫星信号数据进行帧提取，各种控制时钟以及存储器地址的产生，完成一些控制功能，完成信号数据的合路，形成特定的数据格式，送入U S B 控制芯片的F I F O 中。根据系统对数据传输的速度和实时性
12、的要求，配置C Y 7 C 6 0 1 3 的工作接口模式为从F I F O 模式，硬件连 接方式如图3 所示。F P G A 控制采集外部数据的时钟可同时作为 C Y 7 C 6 8 0 1 3 的从F I F 0 模式的读写控制时钟，即 C Y 7 C 6 8 0 1 3 的接口时钟连接到I F C L K 弓I 脚 F L A G A F L A G D 为F I F 0 标志引脚，用于映射 F I F O 的当前状态，s L w R s L R D 是c Y 7 c 6 8 0 1 3 从 F I F O 的写使能，读允许信号，C P L D 向 C Y 7 C 6 8 0 1 3 从
13、F I F 0 提供从F I F 0 输出允许信号S L O E ，仅在数据输出时有效，F D 1 5 ：o 】为1 6 位双向数据总线。F I F O A D R 1 ：o 】为端点F I F O 选择信号。 3 4 外接E E P R O M 电路2 3 8信息码。F L A G B位脉冲F L A G B。F I F O A D R 10 j 。F p G AC Y 7 C 6 8 0 1 3 S L R D S L W RS L O E RF D ：150 F DL 150J图3 硬件连接框图系统上电后，u s B 内核首先检查1 2 C 总线上是否有E E P R O M 。如果有，
14、并且其第一位数据是O x C 2 ，则 E Z U S BF X 2 将E E P R O M 中的内容全部拷贝到内部R A M 中，然后重列举，并开始执行R A M 中的固件程序。由于C Y 7 C 6 8 0 1 3 芯片已经将1 2 C 总线集成，设计转化为对1 2 C 总线上挂接的E E P R O M 的设计。E E P R O M 电路采用的是2 4 L C l 2 8E E P R O M 。 4 软件设计本系统软件设计包括：固件、驱动程序和应用程序的设计。其中，固件程序是指运行在设备C P U 中的程序，是整个程序设计的核心，可采用汇编语言和C 语言设计。只有在该程序运行时，外
15、设才能称之为具有给定功能的外部设备。4 1U S B 设备固件程序设计固件程序负责处理P c 机发来的各种请求，主要负责设备与外围电路进行数据传输。完成一个完整的事务传输，除了开发环境K e i l 包括的文件，还需要F w c ( 固件架构原是程序代码) 、D s c r a S l ( U S B 描述符表) 、E z u s b 1 i b ( E Z U S B 函数库对象程序代码) 、P e r i p h c ，( 用户函数，也就是设计中实现G P I B 功能要编写的函数) 以及相关的中断跳转函数U S B j m p T B O B J 。功能函数里的T D P o l l (
16、 ) 负责完成用户指定的 功能，应该包括一个执行用户外围功能的状态机。从这个函数返回的话，高优先级的任务应该首先执行。v o i dT D P o l l ( v o i d )i f ( ! ( E P 2 4 6 8 s T A T b m E P 2 E M P T Y ) ) i f ( ! ( E P 2 4 6 8 s T A T & b m E P 6 F u L L ) ) 判断端点2 的F I F o 缓冲区是否满fA P T R l H = M S B ( & E P 2 F I F O B U F ) ；自动指针l A P T R l L = L S B ( & E P 2 F I F o B U F ) ： A U T O P T R H 2 = M S B ( & E P 6 F I F O B U F ) ；自动指钔 A U T O P T R L 2 = L S B ( &
