基于CYUSB3014高速實時數據采集系統的設

0 引言

目前USB 已廣泛應用于數據采集系統，現階段使用較多的是USB 2.0 規范。隨著測試測量要求的不斷提高，USB 2.0 已逐漸難以滿足要求。新的USB3.0 規范很好的解決了USB 2.0 中存在的一些局限，非常適用于現代測試測量系統。

1 USB 2.0 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 USB 3.0 SS(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USB 2.0 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USB 3.0 的設備端，此時設備工作于USB 2.0 模式下;但USB 3.0 的B 型連接器無法插入USB 2.0的設備端。

除此以外，USB 3.0 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 結語

本文的高速實時數據采集系統的設計方案，首先對傳感器輸出信號進行放大濾波處理，然后將其轉換為數字信號。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。