基于EZ-USB FX2的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、Computer Engineering and Applications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用 2008(33S 510基于EZUSB FX2的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)楊東凱,馮淵YANG Dong-kai,FENG Yuan北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京100083School of Electronic and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100083,ChinaYANG Dong-kai,FENG Yuan.Software design of high-speed data acquisnion system

2、 based on EZ-USB FX2.Computer Engineering and Applications,2008(33S.Abstract:A highspeed data acquisition system based on EZ-USB FX2is designed.Critical technique of the firmware,USB device driver and application software are described in details,and the system is verified by sampling GPS raw signal

3、.Key words:USB;device driver;data acquisition摘要:設(shè)計(jì)了一種基于EZUSB FX2實(shí)現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成,對(duì)固件程序、USB驅(qū) 動(dòng)程序、應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述。通過(guò)采集GPS原始信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。 炎鍵詞:USB;驅(qū)動(dòng)程序;數(shù)據(jù)采集1引言在微型計(jì)算機(jī)的很多應(yīng)用場(chǎng)合都需要完成數(shù)據(jù) 采集的功能。以前,由于微型計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出接 口的傳輸速率比較低,基本都是采用ISA、EISA或者 PCI板卡來(lái)完成數(shù)據(jù)采集與傳輸,但是這種方式的驅(qū) 動(dòng)程序開發(fā)難度大,通用性和可移植性差。自1998年 USBl.1規(guī)范推

4、出以來(lái),USB技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng) 用,USB接口成為微機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口。但是USBI.1的最 高數(shù)據(jù)傳輸速率只有12Mbps,不能滿足很多應(yīng)用場(chǎng) 合的需求。在2000年年底推出的USB2.0規(guī)范,傳輸 速度達(dá)到480Mbps。這一傳輸速率基本與當(dāng)前微型 汁算機(jī)的處理能力相適應(yīng),有效解決了微型計(jì)算機(jī)與 外部沒(méi)備進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問(wèn)題I。CYPRESS公司推出的符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的EZ USB FX2系列芯片,代表了業(yè)界的尖端水準(zhǔn),它的高度 集成化和獨(dú)特的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保證USB2.0協(xié)議的480Mbps 的傳輸速度的實(shí)現(xiàn)41。本文介紹了基于EZUSB FX2芯片實(shí)現(xiàn)的高速 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及各子模塊的

5、軟件沒(méi)計(jì)。 2采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成FX2與外部邏輯的2種接口模式:Slave FIFOs 模式和通用可編程接口GPIF模式。Slave FIFOs模 式是從機(jī)方式,外部控制器可像普通FIFO一樣對(duì) FX2的多重緩沖FIFO進(jìn)行讀寫。在本采集系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)中,采用了EZUSB FX2的Slave FIFOs接口模 式,FPGA作為Slave FIFOs接口的外部控制器。采集 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其中FPGA完成AD采樣并作為EZUSB FX2的Slave FIFO接口的外部控制器;EZUSB FX2芯片 執(zhí)行固件程序,完成USB協(xié)議轉(zhuǎn)化;PC上執(zhí)行USB 采集程序。3采集系統(tǒng)各子模

6、塊軟件設(shè)計(jì)FPGA作為AD采樣與USB Slave FIFOs之間的基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(the National Natural Science Foundation of China under Grant No.60602046。作者簡(jiǎn)介:楊東凱(1972-,副教授,主要研究方向:通信與信息系統(tǒng);馮淵(1984-,碩士研究生,主要研究方向:衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù),5112008(33S Computer Engineering and Applications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用接口,主要完成AD采樣與Slave FIFOs接口控制的 功能。AD采樣模塊以采樣頻率連續(xù)采樣數(shù)據(jù),而USB 事務(wù)

7、被操作系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序調(diào)度,其接口數(shù)據(jù)傳 輸速率不恒定。為了諧調(diào)二者的速率差異,防止數(shù)據(jù) 丟失,在FPGA內(nèi)建立起一個(gè)大容量的片內(nèi)FIFO,作 為AD采樣與USB接口之間的緩沖。FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu) 如圖2所示。圖2FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖AD采樣模塊以采樣頻率連續(xù)采樣數(shù)據(jù)并寫入 FPGA片內(nèi)FIFO。Slave FIFO控制器從FPGA片內(nèi)FIFO讀取采樣 數(shù)據(jù),并依照Slave FIFO接口的讀寫時(shí)序?qū)懭險(xiǎn)SB Slave FIFOs,進(jìn)行USB數(shù)據(jù)傳輸。Slave FIFOs控制 器的基本結(jié)構(gòu)是狀態(tài)機(jī),其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。圖3SlaveFIFO控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Slave FIFOs控制器狀

8、態(tài)轉(zhuǎn)移如下:(1IDLE:當(dāng)采集卡啟動(dòng),轉(zhuǎn)到Statel。FX2的Slave FIFOs能夠被配置為自動(dòng)輸入或輸 出模式,自動(dòng)輸入模式方式如圖4所示。從圖4可以 看出,當(dāng)個(gè)FIFO被配置為自動(dòng)輸入時(shí),從外部控制器來(lái)的數(shù)據(jù)被自動(dòng)打包并提交給USB,這時(shí)CPU不進(jìn) 行任何干預(yù),克服了低速M(fèi)CU給高速數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái) 的瓶頸效應(yīng)。所以在本設(shè)計(jì)中采用了自動(dòng)輸入模式。FX2曰 外部l卡機(jī)b 爿usB H Slave FIFO b 控制 器圖4EZUSB FX2自動(dòng)輸入模式方式在Windows系統(tǒng)中,USB驅(qū)動(dòng)程序由三部分組 成:USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主 控制器驅(qū)動(dòng)程序。其中,Wind

9、ows操作系統(tǒng)已經(jīng)提供 了處于驅(qū)動(dòng)程序棧底的USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主 控制器驅(qū)動(dòng)程序。而USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開發(fā) 者編寫,通過(guò)向USB總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含URB (USB Request Block的IRP(IO Request Packet,來(lái) 實(shí)現(xiàn)Pc與USB外設(shè)之間的信息交換。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)是USB設(shè)備開發(fā)最困難 的部分,開發(fā)周期長(zhǎng)而調(diào)試難度大。Cypress公司提供 的USB DeveloperS uStudio軟件包中包含了一個(gè)名 為CyUSB.sys的通用USB沒(méi)備驅(qū)動(dòng)程序,該驅(qū)動(dòng)程序 符合WDM規(guī)范,功能完善,可以滿足各種應(yīng)用需求, 因此沒(méi)備開發(fā)者不需要另行開發(fā)。

10、Cypress公司提供的USB DeveloperS uStudio 軟件包中還包含了一個(gè)名為CyAPI.1ib的簡(jiǎn)單易用、 功能強(qiáng)大、面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序接口。CyAPI.1ib對(duì) CyUSB.sys中的API進(jìn)行了封裝,為用戶提供了一個(gè) 高級(jí)編程接口51。在CyAPI.1ib中不僅提供了XferData(等同步方 法,也提供了BeginDataXfer(,WaitForXfer(和Fin ishDataXfer(等低級(jí)異步方法以將系統(tǒng)的吞吐性能 發(fā)揮的極致。在本設(shè)計(jì)中,為了提供數(shù)據(jù)傳輸速率,采 用了CyAPI.1ib提供的低級(jí)異步方法。異步方法使得程序設(shè)計(jì)人員能夠在開始處理返 回?cái)?shù)據(jù)之前預(yù)先

11、加載一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列,并且能夠保持足 夠的可用請(qǐng)求緩沖區(qū),這樣就無(wú)需中斷設(shè)備而去等待 新的請(qǐng)求。基于異步方法的采集程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。 應(yīng)用程序始終保持一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列,并從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi) 讀取數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)文件。(下轉(zhuǎn)554頁(yè)Computer F,RsqneeriiIg and Appli,.tttioll.E計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用 2008(335 554可“看HB碼的校ut精度為20us左右,相對(duì)干聲與0碼的毫秒彗級(jí)的精度而言,鼬可以忽略嘲5Jn k。標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)統(tǒng)挫播棚比4結(jié)跑m比對(duì)的結(jié)果ur以分析出,聲卡枝時(shí)的精度范圍 吐一 lq 7肇堆教排的解澗輸¨I 為±20his,陵精度完全

12、可以適用J。載人航天任務(wù)及未 柬空m砧計(jì)劃的馴挖、通信計(jì)算機(jī)時(shí)mJ保障工作一h 也可在需盟精確時(shí)間的各類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)tIt惟廣應(yīng)州.參_孽文獻(xiàn):【803051懷準(zhǔn)化時(shí)統(tǒng)世衢說(shuō)明書成都國(guó)營(yíng)吊華儀器r.199813J Kntgllnski lJ.Visual I:¨技術(shù)內(nèi)幕【M J婚愛民,坪4峨北 京清華大學(xué)出版杜i9994l鐘琢,蔡蓮生|:多繅體計(jì)算機(jī)掛術(shù)基礎(chǔ)戊川lJE求高 *教育m*#199992109pnmb"ntIhIonI” 時(shí)6秉染缸槲的捕艘l里數(shù)H杜批通過(guò)多狄試驗(yàn),表明本系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。且具 有傳輸速率高.配置靈活,使用方便,支持熱抽拔.具 有良好的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)參弩