基于USB高速数据采集系统的设计

摘 要

       数据采集是信息处理系统的前提。通常数据采集系统是通过串行口、并行口或内部总线等与计算机连接的，但他们共同的缺点是安装不方便、灵活性受到限制。 USB接口设备支持即插即用，安装方便，易于扩展，且USB2.0能到达480Mb/s的理论传输速度，非常适合在高速数据采集系统中应用。基于这些特 点，USB高速数据采集是未来的重点科技发展方向，同时也决定了发展的必然性。本文采用USB借口总线实现了告诉数据传输。

关键字：USB接口   传输速度   安装   发展方向 

Abstract    
Data acquisition is the premise of information processing system. Usually the data acquisition system through the serial, parallel port or internal bus is connected with a computer, but they share the disadvantages of inconvenient installation, flexibility is restricted. The USB interface equipment support plug-and-play, easy to install, easy to expand, and USB2.0can reach480Mb / s theory of the transmission speed, very suitable for high-speed data acquisition system in the application of. Based on these features, USB high speed data acquisition is the focus of the future direction of development of science and technology, and also determine the necessity for the development of. This paper uses the USB bus can tell the data transmission.
Keywords：USB interface  Transmission speed  Installation  Development direction

一、课题的背景及意义      
       随着计算机硬件飞速发展，外围设备日益增多，键盘、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪早已为人所共知，数码相机、MP3随身听接踵而至,在他们的外部出现 了各种各样的外设接口:并行口、串行口、键盘口、鼠标口、音频输入输出口、网络接口等等。由于各种外部设备不断增加，计算机所提供用于连接外设的资源也就 不能满足，时常因为不能提供更多的接口，而导致各种I/O的冲突，加之各种中低速外设缺少一个双向、低价、即插即用的统一的总线，限制了外部设备的开发。 因此，简化外设扩充方法使之方便可行，便成了一个重大的课题。USB就是基于这个目的产生的。USB是一个使计算机周边设备连接标准化、单一化的接口，其 规格是由Intel、NEC、Compaq、DEC、IBM、Microsoft、Northern Telecom联系制定的。提出USB技术的主要原因就是想利用单一的总线技术，来满足多种应用领域的需要。在USB总线上，可以同时支持低速 (l.2Mb/s)和全速以及高速的数据传输;而且可以支持异步传输和同步传输等传输方式;它还可以同时多达127个外设。可见USB所带来优越性和方便 性。USB接口芯片ISP1581具有体积小、高速、与单片机的接口相对简单等特点。除了控制端点外，ISP1581还有7个输入（IN）端点和7个输出 （OUT）端点。每个端点可以灵活配置数据传输方式以及数据缓存区（FIFO）的大小，端点FIFO大容量可以达到2KB。ISP1581芯片在配置枚 举时需要单片机固件的支持，一旦正确完成了配置和驱动加载，单片机对于ISP1581芯片就如同普通存储器一样可以进行读写操作，以发送或接收数据。 USB作为一个通信接口，首先必须完成配置，然后才能进行用户数据的发送/接收，在循环中必须随时检查是否有主机的配置命令。配置枚举过程是USB固件编 程当中较为复杂的部分，其流程如图4所示。USB设备接入到主机并被主机识别后，主机首先以默认的地址（00H）发送一个设置（SETUP）包，新接入的 设备必须接收此包并响应请求。然后主机会发送输入包读取设备描述符，初步判断设备的属性后，再设置设备的地址，随后再用这个地址读取设备的各种描述符以识 别并且配置设备。可见，在设备配置过程中，主机读取的数据较多，设备一旦接收到一个SETUP包之后便会判断主机的请求类型，然后进入请求处理循环等待主 机的进一步命令，如果再次收到一个IN令牌便会向控制端点中写入数据，并且根据数据长度再次写端点直到数据发送完毕。USB的标准请求包括读取设备描述 符、配置描述符、端点描述符、设置地址、配置设备等，厂商请求由用户自行定义。
在此背景下，以Intel为首的七家公司Intel、Compaq、DigitalEquipment、IBM、Microsoft、NEC和 NorthemTelecom于1994年推出了USB专用于低、中速的计算机外设。19%年USBI.0协议公布，但一直到1997年 Microsoft司推出WIN95/97之后，USB才开始进入实用阶段，而且这个版本对USB的支持属于外式模块。直到WIN98推出以后，USB接 口的支持模式才真正的成熟，USB开始进入了高速发展时期。1998年USB1.1版本推出，规定了两种速度(低速1.2Mb/s和高速12Mb/s)以 满足不同需要。2000年4月又推出了USB2.0版本，将速度提高到480Mb/s，带宽(数据的吞吐速度)增大后，各种外设的功能扩展便显得异常容 易。2.0扩展了USB的应用范围。USB设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点：
　　1、可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机将并口或串口电缆接上再开机”这样的动作，而是直接在电脑工作时，就可以将USB电缆插上使用。
　　2、携带方便。USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样20G的硬盘，USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然USB硬盘会是首要之选了。
　　3、标准统一。大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。
4、可以连接多个设备。USB在个人电脑上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备。
 
二、课题研究的现状
       目前市场上的USB传输模块也很多，比如philips公司的PDIUSB12芯片虽然支持本地DMA传输，可是它却支持USB1.1版的规范。有的虽然 支持USB2.0协议，可是传输速率却存在很大问题，没有真正体现USB2.0传输速率。有的USB芯片不是单片的解决方案，存在着开发周期长，性价比低 等缺点。综合起来市场上很多USB芯片都存在着低速MCU、复杂的USB协议、端口FIFO与外界数据交换速度、端口FIFO的大小等缺陷。EZ- USB  FX2内嵌增强型51内核、提供了强大的接口电路，固件框架和调试界面，开发简单、方便、高效，可以普遍用于各种消费电子和工业控制设备等领域。

    三、本USB数据传输模块所要研究的内容
       本课题设计的USB数据传输模块是一种基于EZ_USB  FX2单片机的通用数据传输模块，讨论了USB控制器EZ-USB FX2(CY7C68013)的性能及传输方式并给出了该系统的硬件实现方案。通过使用Cypress公司提供的GPIFDesigner工具开发 GPIF（通用可编程接口），预先定义好波形描述符，通过激发GPIF功能来实现数据传输。采用这一新型总线技术，选用USB2.0芯片 CY7C68013、Xilinx公司的FPGA XC2S50E和双口RAM CY7C026组成一个通用的数据传输模块，在任何一种数据采集系统中，经采集系统处理后的数据都可以存放在双口RAM或其他存储器中，再与该USB传输 模块相连就可以实现与PC主机的通信。这里着重介绍CY7C68013的硬件接口设计及其GPIF功能。主要由数据存储器双口RAM、FPGA、内置 MCU的USB接口芯片和主机四部分组成。 
       其中USB接口控制器采用Cypress公司的CY7C68013，FPGA采用Xilinx公司的FPGA XC2S50E，双口RAM采用RAM CY7C026。这样，在任何一种数据采集系统中，经采集系统处理后的数据都可以存放在双口RAM或其他存储器中，再与该USB传输模块相连就可以实现与 PC主机的通信。