基于FPGA和USB2.0的高速数据采集系统
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2020-07-23
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基于基于FPGA和和USB2.0的高速数据采集系统的高速数据采集系统
USB是近年来在计算机领域日益流行的一种总线形式。在数据采集领域，基于FPGA和USB2.0的数据采集系统
不但具有速度快、易扩展等特点，而且凭借即插即用的功能，适用于更广泛的应用场合。
数据采集在现代工业生产及科学研究中的重要地位日益突出，对实时高速数据采集的要求也不断提高。在信号测量、图像处
理、音频信号处理等一些高速、高精度的测量中，都要求进行高速、高精度的数据采集。这就对数据采集系统的设计提出两个
方面的要求：一方面，要求接口简单灵活且有较高的数据传输率；另一方面，由于数据量通常都较大，要求主机能够对数据做
出快速反应，并及时分析和处理。
实现数据采集与传输，可选择如下3种方法：
① 使用传统的串/并口。传统的串口（如RS232），其传输速率为几十kb/s到100 kb/s，而系统所要求的数据传输速率很高，
而且还要实现数据的采集与传输同步进行，串口的速率远远达不到实时要求；对于并口，虽然它的传输速率可达到1 Mb/s以
上，但由于探测器与主机相距较远，因此走线比较复杂。
② 采用通用的高速数据采集卡。高速数据采集卡（如ISA或PCI卡）
虽然在数据存取速度上可满足系统要求，但仍然存在很多缺点，比如安装复杂，价格昂贵，兼容性不好，受计算机插槽数量、
地址和中断资源的限制，可扩展性较差等。
③ 使用USB2.0通用串行接口总线。USB接口是一种重要的计算机外设接口，它支持热插拔和即插即用，使用非常方便。
USB2.0支持高达480 Mbps的数据传输速率。USB接口可实现计算机与多个外围设备的简单、高速互联，将USB技术应用于数
据采集是非常适合的[12]。
经综合考虑，本文选择采用USB2.0接口来完成对数据的采集与传输。
1 数据采集和传输系统方案设计
数据采集和传输系统主要由3部分组成，USB2.0通道、FPGA和A/D转换器组成，如图1所示。
图1 数据采集和传输系统结构框图
CY7C68013是Cypress公司推出的EZUSB FX2系列智能USB接口芯片。其作用是将主机所发送的命令序列经USB2.0端口输
出，实现对数据采集系统的控制；同时把A/D转换器采集的数据以高速的数据序列形式发送到主机。其中，USB2.0端口提供
一个能和计算机连接的数据传输接口。
FPGA利用内部的SRAM提供数据输入/输出的双缓冲功能。采用双缓冲的原因同USB中的大端点所配置的双缓冲类似，均是防
止数据的溢出和保证数据传输的连续性。本文选用Altera公司的Cyclone系列芯片EP1C3T144。
A/D转换器将所要采集的模拟量转换成数字量，通过滤波和放大后，由FPGA接收、缓冲、存储，经USB2.0端口传回至主机工
作站。高速A/D转换器采用转换速率为20 MHz的MAX1425。[3]
系统工作过程为：主机通过CY7C68013给数据采集系统一个采样控制命令，存入FPGA的控制寄存器中。FPGA根据该命令向
A/D转换器发出相应控制信号。由于ADC采样频率为10 MHz，为和PC运行速度相匹配，在FPGA内部生成一个FIFO缓存器。
A/D转换器在FPGA的ADC接口控制电路控制下，把模拟信号转换成数字信号，并将指定通道的采样数据存入FPGA内部FIFO
缓存。同时，FPGA的USB接口控制逻辑查询CY7C68013是否空闲，如果空闲，那么由FPGA的USB接口控制逻辑将指定通
道的采样结果，从FPGA内部FIFO缓存送入CY7C68013的内部FIFO。当内部的FIFO容量达到一定程度后，CY7C68013自动
将数据打包传送到PC机。由于固件程序把CY7C68013设置为特定的自动模式，因此CY7C68013把数据送往PC机期间的所有
操作无需CY7C68013中CPU的干预，从而保证足够的数据传输速率。采样过程中FPGA的USB接口控制逻辑依次取走批量数
据，在USB接口打包传送时A/D转换持续进行，FPGA内部FIFO也被持续写入转换结果。
2 硬件设计
系统的硬件由A/D转换电路、数据采集与传输控制电路和接口电路构成。
2.1 A/D转换电路
A/D转换电路是整个系统的重要组成部分。由低通滤波器、多路选择开关和A/D转换器构成，如图2所示。本文选用Maxim公司
的A/D转换芯片MAX1425。
图2 A/D转换电路示意图
8路模拟输入信号分别经过由运放THS4052构成的抗混叠低通滤波器去除高频成分，防止信号产生“混叠现象”。1/8模拟信号选
择器根据来自FPGA板的地址码，控制模拟信号选择器74HC4051选通8路输入中的1路到输出端，送到A/D转换器MAX1425将
模拟信号转换为数字信号。MAX1425的控制信号由FPGA板提供，在控制信号的作用下以适当的时序完成转换工作。
2.2 数据采集与传输控制电路
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