基于FPGA和USB2．0的高速數據采集系統
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實現數據采集與傳輸，可選擇如下3種方法：
①使用傳統的串／并口。傳統的串口(如RS232)，其傳輸速率為幾十kb／s到100 kb／s，而系統所要求的數據傳輸速率很高，而且還要實現數據的采集與傳輸同步進行，串口的速率遠遠達不到實時要求；對于并口，雖然它的傳輸速率可達到1 Mb／s以上，但由于探測器與主機相距較遠，因此走線比較復雜。
②采用通用的高速數據采集卡。高速數據采集卡(如ISA或PCI卡)雖然在數據存取速度上可滿足系統要求，但仍然存在很多缺點，比如安裝復雜，價格昂貴，兼容性不好，受計算機插槽數量、地址和中斷資源的限制，可擴展性較差等。
③使用USB2．0通用串行接口總線。USB接口是一種重要的計算機外設接口，它支持熱插拔和即插即用，使用非常方便。USB2．0支持高達480 Mbps的數據傳輸速率。USB接口可實現計算機與多個外圍設備的簡單、高速互聯，將USB技術應用于數據采集是非常適合的。經綜合考慮，本文選擇采用USB2．0接口來完成對數據的采集與傳輸。
1 數據采集和傳輸系統方案設計
數據采集和傳輸系統主要由3部分組成，USB2．0通道、FPGA和A／D轉換器組成，如圖1所示。
CY7C68013是Cypress公司推出的EZ-USB FX2系列智能USB接口芯片。其作用是將主機所發送的命令序列經USB2．0端口輸出，實現對數據采集系統的控制；同時把A／D轉換器采集的數據以高速的數據序列形式發送到主機。其中，USB2．0端口提供一個能和計算機連接的數據傳輸接口。
FPGA利用內部的SRAM提供數據輸入／輸出的雙緩沖功能。采用雙緩沖的原因同USB中的大端點所配置的雙緩沖類似，均是防止數據的溢出和保證數據傳輸的連續性。本文選用Altera公司的CycIone系列芯片EP1C3T144。
A／D轉換器將所要采集的模擬量轉換成數字量，通過濾波和放大后，由FPGA接收、緩沖、存儲，經USB2．0端口傳回至主機工作站。高速A／D轉換器采用轉換速率為20 MHz的MAX1425。
系統工作過程為：主機通過CY7C68013給數據采集系統一個采樣控制命令，存入FPGA的控制寄存器中。FPGA根據該命令向A／D轉換器發出相應控制信號。由于ADC采樣頻率為10 MHz，為和PC運行速度相匹配，在FPGA內部生成一個FIFO緩存器。A／D轉換器在FPGA的ADC接口控制電路控制下，把模擬信號轉換成數字信號，并將指定通道的采樣數據存入FPGA內部FIFO緩存。同時，FPGA的USB接口控制邏輯查詢CY7C68013是否空閑，如果空閑，那么由FPGA的USB接口控制邏輯將指定通道的采樣結果，從FPGA內部FIFO緩存送入CY7C68013的內部FIFO。當內部的FIFO容量達到一定程度后，CY7C68013自動將數據打包傳送到PC機。由于固件程序把CY7C68013設置為特定的自動模式，因此CY7C68013把數據送往PC機期間的所有操作無需CY7C68013中CPU的干預，從而保證足夠的數據傳輸速率。采樣過程中FPGA的USB接口控制邏輯依次取走批量數據，在USB接口打包傳送時A／D轉換持續進行，FPGA內部FIFO也被持續寫入轉換結果。
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