基于NIOSII的USB2.0記錄儀數據采集器研制

摘要：為解決航空參數記錄數據讀取問題，文章提出了一種新穎的基于NIOSII和USB2.0平臺的高性能記錄儀數據采集器。系統以USB2.0作為與計算機的接口，在FPGA內建NIOSII處理器來實現NAND FLASH的控制以及與CY7C68013A USB2.0 芯片接口。實驗證明，該系統在采集速率為20MByte/s，遠超出了目前通用的數據采集器的性能。

關鍵詞：數據記錄儀；閃存；采集；可編程邏輯器件

中圖分類號：TP333 文獻標志碼：A 文章編號：1009-2374（2012）04-0112-02

數據記錄儀在航空、車載、船舶等領域已經大量應用。NAND FLASH作為記錄儀中的存儲介質已經得到普遍認可，如彈載數據記錄儀、機載記錄儀、多通道測試記錄儀等。而記錄儀的數據讀取方法，目前普遍采用USB1.1或RS232等低速接口實現，如嵌入式超載監控記錄儀采用CH375 USB1.1模塊進行數據讀取，采用DSP的串口將數據傳至計算機。上述系統中，數據的記錄和讀取都合并到記錄儀中，然而讀取數據部分在系統記錄過程中是多余的，完全可將記錄和讀取獨立開，以減輕記錄系統的體積和復雜度。同時，大多系統采用低速通信接口讀取NAND FLASH中的數據，然而隨著電子技術的發展，對數據記錄儀的記錄數據量要求越來越高，USB1.1或RS232的通信速率已不能滿足實際需求。

一、方案框架

方案整體上采用USB2.0、FPGA、SRAM實現數據采集器的結構。結構框圖如圖1所示：

為了增加系統的靈活性，在FPGA中建立NIOSII 32位處理器。計算機可以同過USB2.0接口向采集器發送讀數據、擦除數據命令。采集器接收到命令后，通過NIOSII 解析命令。SRAM作為NIOSII的程序運行存儲器和FLASH數據緩沖區。

二、方案實現

（一）硬件電路設計

CY7C68013A芯片與FPGA的主要通信接口采用Slave FIFO方式，該模式已有大量論文進行過研究6,7,8。IS61LV25616芯片直接與FPGA連接。由于NAND FLASH的接口電平為3.3V，因此可以跟EP2C8Q208FPGA芯片直接進行連接，使用過程中，采集器通過數據排線方式連接至數據記錄儀。

（二）FPGA硬件程序設計

1．FPGA與CY7C68013A接口。

FPGA與CY7C68013A接口的高速slave fifo程序模塊如圖2所示。UsbCtrl模塊實現與CY7C68013A的slave fifo接口通信，UsbFifoIn和UsbFifoOut是FPGA芯片內存儲器資源建立的FIFO存儲器，16位寬，1024深度。由于slave fifo模式在USB端是BULK模式，因此必不可少的會出現傳輸等待，所以為了保證數據連續傳輸過程中不丟失以及提高傳輸速度，系統中加入這兩個FIFO。ExtCtrl模式起到FIFO接口邏輯控制作用。該模塊提供了標準的WR、RD、DIR、WRFULL、RDEMPTY、DATA[15:0]接口。

2．FPGA與CY7C68013A接口的低速命令模塊。

FPGA與CY7C68013A的低速命令接口模塊如圖3所示。ParaCtrl模塊與CY7C68013A的PC[7:0]、PA0、PA1、PA3通信，實現傳輸計算機發送的控制命令和返回采集器的狀態信息。ParaFifoIn和ParaFifoOut為命令輸入輸出FIFO緩沖區和返回狀態信息緩沖區。UartCtrl模塊實現上述兩個FIFO的通信轉換接口，將USB的低速接口轉換成串口通信時序，方便與NIOSII連接。

3．NIOSII 的配置。

在SOPC BUILD 中對NIOSII的配置如圖4所示：

Uart_1模塊用于解析2.2.2節所述計算機命令和返回狀態。Nf_ 等8個模塊實現FLASH芯片的接口。USB_等7個模塊實現與高速USB數據傳輸模塊接口。Sram模塊控制擴展的IS61LV25616芯片。

（三）NIOSII 軟核程序設計

NIOSII軟核主程序流程圖如圖5所示。采集器接收計算機發送的串口命令，如果是0xeb5a，則讀取FLASH芯片中有效數據，并將數據通過高速USB接口將數據發送到計算機，發送完畢返回狀態信息。如果是0xbdce，則擦除整塊FLASH，擦除完畢返回狀態信息。

（四）計算機軟件

計算機軟件由兩部分構成，驅動程序和應用程序，驅動程序采用CYPRESS公司提供的驅動。應用程序用VC++編寫。程序界面如圖6所示：

三、實驗驗證

采集器硬件電路板跟板載K9K8G08U0M NAND FLASH芯片的參數記錄儀連接，NIOSII軟核程序采用NIOSII IDE 的JTAG UART在線調試，進行數據傳輸測試。讀操作命令測試如圖7所示。圖中，左邊為計算機應用程序，點擊讀取數據操作后，采集器讀取NAND FLASH完畢后，返回0x43狀態字。右邊是在NIOSII IDE在線調試中顯示的終端結果。NIOSII軟核程序開始運行后，會根據讀取FLASH的ID來檢測FLASH是否已經連接。如果連接正常，則等待計算機的操作命令。圖中顯示接收到計算機的讀FLASH命令。

四、結語

隨著參數記錄儀的普遍應用，對記錄儀數據讀取器的需求也日益廣泛。文章提出了一種全新的基于USB2.0和NIOSII的采集器設計方案。該方案提高了讀取FLASH的數據速率。該參數采集器已經在某機載參數記錄系統中得到應用。

參考文獻

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基金項目：浙江省財政廳支助項目（項目編號：2011R461002）。

作者簡介：黃輝，男，浙江臺州人，臺州科技職業學院機電工程系助教，碩士，研究方向：計算機設備控制。

（責任編輯：劉 艷）