FPGA和USB的雙通道數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)

黃遠(yuǎn)望，嚴(yán)濟(jì)鴻

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，成都611731）

引 言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是信號(hào)與信息處理系統(tǒng)不可缺少的組成部分，其廣泛應(yīng)用于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等領(lǐng)域。本文所述系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的靈活性［1］和通用串行總線（USB）體積小、即插即用、速度高等優(yōu)點(diǎn)［2］，可實(shí)現(xiàn)多種頻率信號(hào)的雙通道觸發(fā)采集。給出了該系統(tǒng)的硬件方案和電路原理，做了詳細(xì)說(shuō)明，同時(shí)介紹了FPGA 內(nèi)部邏輯的設(shè)計(jì)，最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該系統(tǒng)的功能做了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)總體概述

硬件系統(tǒng)中包括差分接口電路、高速SRAM、時(shí)鐘選擇電路、FPGA 和USB 接口電路。輸入的數(shù)據(jù)通過(guò)差分接口電路輸入到FPGA 中，而數(shù)據(jù)的隨路時(shí)鐘則進(jìn)入到時(shí)鐘選擇電路中做延時(shí)處理。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送采集命令后，F(xiàn)PGA 開始采集數(shù)據(jù)并存入到SRAM 中，當(dāng)達(dá)到預(yù)定緩存區(qū)長(zhǎng)度時(shí)，再由SRAM 將數(shù)據(jù)讀出，通過(guò)USB 總線上傳到計(jì)算機(jī)中。其中系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2 板級(jí)電路設(shè)計(jì)

2.1 主要器件選型

作為采集系統(tǒng)硬件核心的FPGA 選取Cyclone系列EP1C12Q240C6［3］芯片。該芯片采用全銅SRAM 工藝，封裝為PQFQ240，保證了較低的焊接成本，同時(shí)具有高達(dá)175個(gè)用戶I／O 口，能夠充分滿足本系統(tǒng)對(duì)I／O 口數(shù)量的需求。其內(nèi)部集成了2個(gè)PLL鎖相環(huán)，12 060個(gè)LE邏輯單元，存儲(chǔ)資源達(dá)到239 616位，可以很好地支撐硬件資源的開銷。與該芯片配套的還有Altera公司的專用配置芯片EPCS4，該芯片能夠提供4 Mb的程序空間，它與FPGA 芯片之間采用專門的AS-JTAG 兼容配置電路連接。

數(shù)據(jù)緩存為高速SRAM 存儲(chǔ)器CY7C1061AV33，其最大具有1 M×16位的存儲(chǔ)空間，最高支持100 MHz的讀寫速度。

USB芯片采用的是CYPRESS公司使用廣泛的EZUSB FX2LP系列CY7C68013A。該芯片支持USB2.0傳輸協(xié)議，內(nèi)部集成了智能串行接口引擎和8051微處理器內(nèi)核，其在低功耗的前提下可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)縫連接，其數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到48 MHz。

差分接口芯片則為TI公司的SN65LVDS386，該芯片可將LVDS數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VTTL 格式的單端信號(hào)。要使其正常工作，需要在輸入差分對(duì)信號(hào)之間串聯(lián)一個(gè)100Ω 的電阻。

2.2 USB接口方案

USB 方案采用CY7C68013A 的SLAVE FIFO［4］模式，通過(guò)讀寫其內(nèi)部的4個(gè)端點(diǎn)FIFO 的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接。其硬件連接示意圖如圖2所示。

圖2 SLAVE FIFO 方案硬件連接框圖

其中FIFOADDR［1：0］為端點(diǎn)的地址線，F(xiàn)PGA 通過(guò)該地址線控制USB端點(diǎn)FIFO的選擇；FD［15∶0］為雙向數(shù)據(jù)總線；FLAGA／B／C為可編程狀態(tài)指示信號(hào)，可以通過(guò)固件編程使其表示端點(diǎn)FIFO 的空滿狀態(tài)信息；SLCS＃為USB芯片片選信號(hào)；SLOE、SLWR、SLRD為讀寫端點(diǎn)FIFO的控制信號(hào)，低有效；PKTEND是數(shù)據(jù)包結(jié)束信號(hào)，IFCLK 為接口同步時(shí)鐘，由USB芯片提供，頻率為48MHz。

2.3 存儲(chǔ)方案

由于FPGA 中資源量較小，而對(duì)于數(shù)據(jù)緩存最大容量為每一路數(shù)據(jù)為1M，采用FPGA 內(nèi)部RAM 資源達(dá)不到其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求，則采用外部存儲(chǔ)的方式。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，對(duì)于存儲(chǔ)器的選擇采用了讀寫時(shí)序比較簡(jiǎn)單的SRAM。為了方便同時(shí)對(duì)兩路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，本系統(tǒng)中運(yùn)用兩片SRAM 分別完成兩路數(shù)據(jù)通道的緩存。其中電路連接框圖如圖3所示。

其中，ADDR［19∶0］為地址總線，DATA［15：0］為雙向數(shù)據(jù)總線，WEN、CEN、OEN 為讀寫使能信號(hào)，BHEN和BLEN 為高低字節(jié)有效信號(hào)。

圖3 存儲(chǔ)方案硬件連接框圖

2.4 時(shí)鐘方案

采用外部隨路時(shí)鐘進(jìn)行采樣，每一個(gè)數(shù)據(jù)通道對(duì)應(yīng)一路時(shí)鐘。每路時(shí)鐘通過(guò)外部延時(shí)芯片，其延時(shí)量可通過(guò)FPGA 控制。其電路圖如圖4所示。

圖4 外部時(shí)鐘延時(shí)選擇方案原理圖

其中DS1100為延時(shí)芯片，其輸出TAP1～TAP5 為輸入時(shí)鐘延時(shí)20～100ns的時(shí)鐘信號(hào)。延時(shí)之后的時(shí)鐘輸出到8 路選擇器74AC151中，輸出控制端ADELAY＿SEL0～2連接到FPGA。通過(guò)這種方式，可以靈活地對(duì)輸入時(shí)鐘做適當(dāng)延時(shí)，以保持時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間的建立時(shí)間和保持時(shí)間關(guān)系，防止采樣到亞穩(wěn)態(tài)的情況。

2.5 電源方案

整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件所需要的供電電平有5 V、3.3V 和1.5V 三種情況，其中通過(guò)初步功率分析，3.3V和1.5V 提供的電流總量不超過(guò)1.5A，其可以通過(guò)線性電源芯片LM1086來(lái)實(shí)現(xiàn)，而5V 可由外圍供電接口直接供電。其電路圖如圖5所示。

圖5 電源模塊原理圖

LM1086-3.3直接提供5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換，而1.5V電壓是LM1086-ADJ輸出端串接兩個(gè)精密電阻（R1和R2）分壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中兩個(gè)電阻值之比為5：1。

3 FPGA程序設(shè)計(jì)

FPGA 的內(nèi)部程序?yàn)楸鞠到y(tǒng)的核心內(nèi)容，本設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)分為各個(gè)子模塊來(lái)完成相應(yīng)的功能，最后集成為一個(gè)整體。下文中給出了每個(gè)功能模塊的具體說(shuō)明。

3.1 數(shù)據(jù)通道采樣模塊

在本系統(tǒng)中每個(gè)數(shù)據(jù)通道的輸入位寬為16位，伴隨數(shù)據(jù)的還有一個(gè)同步時(shí)鐘輸入。每個(gè)通道數(shù)據(jù)格式為IQ，兩路數(shù)據(jù)相互交錯(cuò)輸入，時(shí)鐘上升沿為I，下降沿為Q。針對(duì)這樣的數(shù)據(jù)格式，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)并聯(lián)的異步FIFO 的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和時(shí)鐘域的轉(zhuǎn)換。兩個(gè)FIFO 中一個(gè)接輸入時(shí)鐘，另外一個(gè)接輸入時(shí)鐘的反相時(shí)鐘，通過(guò)這種方式來(lái)同時(shí)采樣上升沿和下降沿的數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)采樣過(guò)程中寫入數(shù)據(jù)的連續(xù)性，必須保證在異步FIFO 之后的讀取數(shù)據(jù)速度大于寫數(shù)據(jù)的時(shí)鐘速率，故在讀時(shí)鐘端采用48MHz時(shí)鐘，使速率低于48Mbps的輸入數(shù)據(jù)都能夠被有效、連續(xù)地采集下來(lái)。

3.2 SRAM 讀寫模塊

該模塊完成外圍存儲(chǔ)芯片的讀寫操作，其讀寫速度達(dá)到48 Mbps。針對(duì)CY7C1061AV33 存儲(chǔ)芯片的讀時(shí)序，必須在一個(gè)地址穩(wěn)定有效時(shí)間段內(nèi)使得WEN 信號(hào)經(jīng)歷一個(gè)負(fù)脈沖的過(guò)程，才能保證數(shù)據(jù)正確地寫入SRAM 中。讀過(guò)程中，一直保持OEN 信號(hào)為低，輸入待讀取數(shù)據(jù)的地址，即可將存儲(chǔ)器中相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)成功讀取出來(lái)。在整個(gè)讀寫過(guò)程中，CEN 都保持為低，當(dāng)該模塊空閑狀態(tài)時(shí)，該信號(hào)置高。

3.3 通道連接選擇模塊

此部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通道的選擇。由于在采集前端是兩路數(shù)據(jù)同時(shí)采集，而上傳到PC 機(jī)上只有一路數(shù)據(jù)總線，故這里需要將傳輸?shù)経SB的數(shù)據(jù)通道根據(jù)主控程序的控制在A 通道和B通道之間切換。根據(jù)上位機(jī)參數(shù)設(shè)置指令可以指定采集的通道，可為A 通道、B通道或者AB 通道同時(shí)選擇。當(dāng)同時(shí)選擇AB通道時(shí)，數(shù)據(jù)選擇模塊先將A 通道接到USB接口模塊，A 通道傳輸完畢之后再將B通道接入。

3.4 USB接口模塊

該模塊為與外圍USB芯片的接口程序主要完成接收并返回上位機(jī)的指令，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)FPGA和USB芯片之間的交互。數(shù)據(jù)和命令采用分離傳輸方式，即數(shù)據(jù)命令不能在同一時(shí)刻傳輸。上傳數(shù)據(jù)時(shí)FPGA選擇6端點(diǎn)［5］，通過(guò)FLAGB和FLAGC來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)端點(diǎn)的空滿狀態(tài)，當(dāng)端點(diǎn)FIFO 為非空時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，為滿時(shí)暫停數(shù)據(jù)傳輸。另一方面，控制命令的傳輸需要通過(guò)端點(diǎn)2實(shí)現(xiàn)，主機(jī)向端點(diǎn)2發(fā)送命令，當(dāng)FPGA檢測(cè)到端點(diǎn)2所對(duì)應(yīng)的FIFO非空時(shí)即可通過(guò)讀FIFO 操作接收命令，通過(guò)這種方式FPGA能夠獲取上位機(jī)設(shè)置的命令參數(shù)，之后底層硬件便可以按照上位機(jī)的要求進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3.5 主控狀態(tài)機(jī)

主控模塊作為FPGA 內(nèi)部邏輯的控制核心，負(fù)責(zé)對(duì)上位機(jī)指令譯碼并作出相關(guān)操作，同時(shí)監(jiān)測(cè)和控制各個(gè)子模塊的工作狀態(tài)。

指令的下傳主要由上位機(jī)經(jīng)過(guò)USB芯片傳輸?shù)紽PGA 的I／O 口上。USB接口程序接收到指令之后，將接收到的指令傳給主控模塊，在主控模塊中對(duì)指令進(jìn)行譯碼操作。上位機(jī)下傳給硬件系統(tǒng)的命令包括板卡檢測(cè)、硬件自檢、參數(shù)設(shè)置、采集開始這4類，每一條指令長(zhǎng)度為16位。其中又以參數(shù)設(shè)置指令最為重要，其包含了通道選擇、緩沖區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置、外部時(shí)鐘延時(shí)選擇、觸發(fā)模式選擇等相關(guān)信息。主控模塊的工作狀態(tài)圖如圖6所示。

圖6 主控模塊內(nèi)部狀態(tài)圖

由圖6可知，針對(duì)上位機(jī)不同的指令對(duì)應(yīng)不同的操作，操作完成之后狀態(tài)機(jī)會(huì)重新進(jìn)入到等待命令的狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

結(jié)合CYPRESS公司官方提供的USB接口調(diào)試軟件Cyconsol EZ-USB來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)送命令，并接收硬件上傳數(shù)據(jù)。通過(guò)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)本次設(shè)計(jì)做了功能測(cè)試。

利用安捷倫E4430B 信號(hào)源產(chǎn)生頻率為26KHz、幅度為0dB 的正弦信號(hào)，通過(guò)ADC500芯片做A／D 轉(zhuǎn)換，采樣率為1 MHz，采樣得到信號(hào)經(jīng)過(guò)差分轉(zhuǎn)換之后接入本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，得到的結(jié)果如圖7所示。可以看到，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠正確、穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性。

結(jié) 語(yǔ)

本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，介紹了基于FPGA、SRAM 和USB的系統(tǒng)構(gòu)架的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定有效的采集，具有較高的實(shí)用價(jià)值，可以適用于多種速度的數(shù)據(jù)采集需求，具可有擴(kuò)展性。

圖7 測(cè)試軟件界面圖

［1］邵磊，倪明.基于FPGA 的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2011，27（19）：221-223.

［2］曾一，李鵬，毛樂(lè)山.一種USB 接口便攜式多模式多通道A／D 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.電測(cè)與儀表，2008，45（7）：44-46.

［3］Altera Corporation.Cyclone Device Handbook，2008.

［4］Cypress.EZ-USB Technical Reference Manual，2002.

［5］Cypress.Cypress CyAPI Programmer＇s Reference，2011.