基于CYUSB3014的高速實時數據采集系統

　　目前USB已廣泛應用于數據采集系統，現階段使用較多的是USB2.0 規范。隨著測試測量要求的不斷提高，USB2.0已逐漸難以滿足要求。新的USB3.0 規范很好的解決了USB2.0中存在的一些局限，非常適用于現代測試測量系統。

　　1 USB2.0的性能與局限

　　通用串行總線USB（Universal Serial Bus）是目前應用極為廣泛的一種系統總線，大量應用在測試測量領域。目前應用最廣泛的是USB2.0標準，具有最高480Mbps的通信速率。但同時USB2.0標準也存在著以下不足：

　　1） 半雙工通信

　　USB2.0采用半雙工通信，同一時間只能有一個方向的數據傳輸，在需要雙向高速數據傳輸的場合往往難以滿足要求。

　　2） 需要主機調度

　　USB2.0標準在傳輸調度上采用主從結構，需要計算機首先發起IN Token 或OUT Token，USB設備才能進行數據傳輸，一次數據傳輸完成后，又必須等待下一個Token，大大制約了數據傳輸的實時性。

　　3） 通信速率相比于競爭對手不高

　　USB的競爭對手有1394和eSATA等，較新的1394b標準數據傳輸速度達到了800Mbps，幾乎比USB2.0 HS高一倍。而eSATA的數據傳輸速度更高。

　　2 USB3.0SS（SuperSpeed）標準簡介

　　為了加強USB 的性能和競爭力，USB聯盟推出了新的USB 3.0SS（SuperSpeed）標準。該標準使用兩條差分鏈路實現了全雙工通訊，速率達到了5.0Gps，不但高于1394b標準，與eSATA相比也同樣具有競爭力。

　　USB3.0在2.0的基礎上新增加了2對差分鏈路，專門用于傳送SS差分信號。主機側接口的機械特性和USB2.0 兼容，而設備側使用了新的接口形式，以容納新增的兩對差分信號線。USB2.0接口的B型連接器可以插入USB3.0 的設備端，此時設備工作于USB2.0 模式下;但USB3.0 的B型連接器無法插入USB2.0的設備端。

　　除此以外，USB3.0 的總線供電能力達到1A，使其可以用于移動硬盤等耗電量較大的設備，而不必另外配備外接電源。

　　3 CYUSB3014芯片介紹

　　CYUSB3014 是USB 業界的領頭羊Cypress 公司出品的USB3.0 控制器，該款控制器集成了200MHz 的ARM9 控制器?512K字節的RAM和USB 3.0物理層，具有可編程的100MHz GPIF II接口。

　　圖1是該芯片的邏輯框圖。該芯片可用于數字攝像機?數據采集?測試測量設備等多個領域。

4 系統硬件設計

　　本系統中，使用了一片AD6644作數據轉換。這是AnalogDevice公司生產的14 位高速ADC，最高采樣速率達到40Msps。

　　整個系統的功能框圖如圖2所示。

　　圖中，傳感器將外部信號變換為電信號;放大濾波部分將傳感器輸出的微弱電信號進行放大?濾波處理，以去除外部干擾;AD6644在FPGA的控制下對放大濾波后的信號進行采集和轉換;FPGA讀取AD輸出，并按照CYUSB3014的GPIF II接口規范將該數據寫入芯片內部的FIFO。此外，FPGA 還可以根據當前信號特性調整放大濾波電路參數，以獲取更優的信噪比。

　　5 GPIF II接口與FPGA程序設計

　　在整個硬件系統中，FPGA與CYUSB3014之間的數據傳輸速度是決定整個系統性能的關鍵。Cypress 在GPIF 的基礎上設計 了可編程GPIF-II接口，該接口可工作于主控或從屬方式，支持32位數據總線，接口頻率最高可達100MHz，有異步和同步兩種時序。在本系統中，為了達到更高的數據傳送效率，根據GPIF-II接口時序，編寫了相應的FPGA程序，實現了在FPGA和CYUSB3014之間的高速數據傳輸。實測結果表明，FPGA 和CYUSB3014 之間的數據傳輸速度最高達到了200Mbytes/s，完全滿足本系統要求。下文是數據傳輸狀態機的部分代碼：

　　6 USB固件設計

　　CYUSB3014集成了一片ARM9核心的處理器，完成USB初始化?枚舉?數據傳輸管理等工作。固件開發使用開源的gcc編譯器和Eclipse集成開發環境，下面是用于管理數據傳輸的部分代碼：

　　7 上位機驅動和軟件設計

　　Cypress提供了基于WDF的驅動程序模塊，WDF（WindowsDriver Foundation）是microsoft推行的驅動開發框架，用來替代之前的WDM框架。WDF框架對WDM進行了封裝和繼承，與WDM相比，WDF框架的驅動開發更簡單方便，尤其是簡化了電源管理和PNP（Plug and play）方面的工作量。根據該系統的實際需要，對驅動代碼進行了修改并編寫了應用程序，能夠穩定可靠地采集數據，表明該系統滿足了預期的設計要求。

　　8 系統的后續改進

　　在測試測量系統中，很多應用需要系統能夠產生預定義的波形，下一步將為該系統添加任意波形發生器功能，進一步完善該系統的功能。

　　9 結語

　　實踐證明，USB 3.0在USB 2.0的基礎上大大提高了數據傳輸速率，實時性也有很好的增強，能夠滿足高速實時數據采集的要求，在數據采集和測試測量領域必將大顯身手。