基于CY7C68013和MAX115芯片实现高速同步数据采集系统的应用方案
作者：周云锋，孙书鹰，王宏
usb（universal serial bus）总线是intel、nec、microsoft、ibm等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范。为了适应高速传输的需要，2000年4月，这些公司在原1.1协议的基础上制订了usb2.0传输协议，已超过了目前ieee1394接口400mbps的传输速度，达到了480mbps。usb总线使用简单，支持即插即用pnp（plug and play），一台主机可串连127个usb设备。设备与主机之间通过轻便、柔性好的usb线缆连接，最长可达5m，使设备具有移动性，可自由挂接在具有usb接口的运行在windows98/nt平台的pc机上。usb总线已被越来越多的标准外设和用户自定义外设所使用，如鼠标、键盘、扫描仪、音箱等。
结合设备检测中数据采集的实际需要，设计了该高速同步数据采集系统。该系统最多可四路同步采样，单通道采样速度可达620ksps，四通道同时采样速度可达180ksps。usb接口控制芯片采用cypress公司fx2系列中的cy7c68013，通过对其可编程接口控制逻辑的合理设计和芯片内部fifo的有效运用，实现了数据的高速连续采样和传输。
1 基本原理
该采集系统总体框架分三部分：主机（能支持usb2.0协议的pc机）、内部包含cpu及高速缓存的usb接口控制芯片（cy7c68013）和高速同步采样芯片（max115），如图1所示。其数据传输分两部分：控制信号传输和采集数据传输。控制信号方向为由主机到外设，由外设cpu控制，数据量较小;采集到的数据由外设到主机，数据量较大。为了保证较高的传输速度，不经过cpu。系统基本操作过程为：主机给外设一个采样控制信号，fx2根据该信号向a/d转换器送出相应控制信号，即采样模式控制字;之后由a/d转换器自主控制转换，并将各通道采样数据存入其片内缓存。一旦转换完成，由a/d的完成位向fx2的可编程控制接口发读采样结果信号;然后由可编程接口的控制逻辑依次将各通道采样结果从a/d的缓存读入fx2的内部fifo。当fifo容量达到指定程度后，自动将数据打包传送给usb总线。期间所有操作不需要cpu的干预。采样过程中接口控制逻辑依次取走批量数据，在打包传送时a/d仍持续转换，内部fifo也持续写入转换结果。只要内部fifo写指针和读指针位置相差达到指定的值就立即取走数据。从而保证了同步连续高速采集的可靠性。
2 硬件部分
2.1 芯片介绍
cy7c68013属于cypress公司的fx2系列产品，它提供了对usb2.0的完整解决方案。该芯片包括带8kb片内ram的高速cpu、16位并行地址总线+8位数据总线、i2c总线、4kb fifo存储器以及通用可编程接口（gpif）、串行接口引擎（sie）和usb2.0收发器。在代码的编写上，与8051系列单片机兼容，且速度是标准8051的3～5倍。
cy7c68013与外设有两种接口方式：可编程接口gpif和slave fifos。
可编程接口gpif是主机方式，可以由软件设置读写控制波形，灵活性很大，几乎可以对任何8/16 bit接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写，使用非常灵活。slave fifos方式是从机方式，外部控制器可象对普通fifo一样对fx2的多层缓冲fifo进行读写。fx2的slave fifos工作方式可设为同步或异步;工作时钟为内部产生或外部输入可选;其它控制信号也可灵活地设置为高有效或低有效。笔者在设计中采用主机方式。
max115是美信公司的高速多通道同步采样芯片。含有两组4路同步通道，共8个输入端。采样精度为12位，采样模式由采样控制字决定，可灵活地在两组中的1～4个通道间选择。采样时，各通道转换结果先存入其内部相对应的4个12bit存储单元，各通道都转换完后再一起取走。
2.2 电路原理及设计
考虑cy7c68013与max115接口时，采样模式不同，控制波形有所差别，笔者选择主机方式即可编程控制接口（gpif）。
gpif是fx2端点fifo的内部控制器。在这种方式下，接口内核可产生6个控制输出端（ctl0～ctl5）和9根线的地址（gadr［8:0］）输出，同时可以接收6个外部输入（rdy0～rdy5）和2个内部输入。fx2有4个波形描述符控制各个状态。这些波形描述符可以动态地配置给任何一个端点fifo。例如，一个波形描述符可以配置为写fifo，而另一个配置为读fifo。fx2的固件程序可以把这些描述符配置给四个fifo中的任意一个，配置后，gpif将依据波形描述符产生相应的控制逻辑和握手信号给外界接口，满足向fifo读写数据的需要。gpif的数据总线既可以是单字节宽（8位fd［7:0］）也可以是双字节宽（16位fd［15:0］）。每个波形描述符包含了s0～s6 七个有效状态和一个空闲状态。在每个有效状态对应的时间段里，经过预先设置，gpif可以做以下几件事情：（1）驱动（使为高或低）或悬浮6个输出控制端;（2）采样或驱动fifo的数据总线;（3）增加gpif地址总线的值;（4）增加指向当前fifo指针的值;（5）启动gpfiwf（波形描述符）中断。除此之外，在每个状态，gpif可以对以下几个信号中任意两个进行采样，它们是：（1）rdyx输入端;（2）fifo状态标志位;（3）内部rdy标志位;（4）传输计数中止标志位。把其中两个信号相与、相或或者相异或，根据结果跳转到其它任意一个状态或延迟1～256个ifclk时钟周期。当然也可以根据输入端的信号进行跳转或延迟。gpif波形描述符通常用cepress公司的gpif工具（gpiftool）进行配置。它是一个可运行于windows平台的应用程序，与fx2的开发包一起发布。
在这种方式下，所有的读写及控制逻辑通过cy7c68013 的gpif以软件编程的方式实现，且控制逻辑的变换方便灵活（只需要改变接口的一个配置寄存器的值）。电路连接如图2所示。
本数据采集系统只用到了两个输出控制ctl0、ctl1和一个外部输入rdy0，它们分别接max115的convst#、wr#和int#。数据总线用双字节，其中fd0～fd11接max115的数据输入端d0～d11，fd12和fd13接控制字输入端的a2和a3，fd0和fd1复用做控制字输入端的a0和a1。max115的采样基准时钟由fx2的输出时钟经三分频得到，为16mhz。对应四种数据传输方式（八种不同的采样模式），gpif的控制及握手信号波形有所不同。四通道同步采样的时序图如图3所示。
在第一个判决点，若采样数据已准备就绪，max115传给gpif一个负脉冲信号rdy0;根据此信号，波形按顺序转入2、3、4、5状态，使指向内部fifo的指针在每个时钟上升沿加1，依次读取四个数据，取完数据后利用ctl0的上升沿启动下一次采样。若在状态1时没有出现负脉冲，则直接跳转到状态6，之后重复执行此波形描述符。
三通道同步采样时，读取数据的状态只需要持续三次。其它采样模式控制波形的设计依此类推。
2.3 固件程序设计
固件程序是指运行在设备cpu中的程序。只有在该程序运行时，外设才能称之为具有给定功能的外部设备。固件程序负责初始化各硬件单元，重新配置设备及a/d采样控制。固件代码的存储位置有三种：第一种是存在主机中，设备加电后由驱动程序把固件下载到片内ram后执行，即“重新枚举”;第二种方法是把固件代码固化到一片eeprom中，外设加电后由fx2通过i2c总线下载到片内ram后自动执行;最后一种方法是把程序固化到一片rom中，使之充当外部程序存储器，连在fx2三总线上。笔者选用第一种方式，这种方式便于系统的调试和升级。固件程序框图如图4所示。
3 用户程序和驱动程序
3.1 驱动程序的编写
该系统需要两个驱动程序，即通用驱动和下载固件的驱动。通用驱动完成与外设和用户程序的通信及控制;而下载固件的驱动则只负责在外设连接usb总线后把特定的固件程序下载到fx2的ram中，使fx2的cpu重启，模拟断开与usb总线的连接，完成对外设的重新设置。主机根据新的设置安装通用驱动程序，重新枚举外设为一个新的usb设备。
通用驱动程序一般不需要重新编写，用cypress公司已经编好的驱动ezusb.sys;而下载固件的驱动则必须定做，其详细操作过程见参考文献［2］。
3.2 用户程序的编写
用户程序是系统与用户的接口，它通过通用驱动程序完成对外设的控制和通信。在编写用户程序时，首先要建立与外设的连接，然后才能实施数据的传输。启动采样后，为了保证不丢失数据，用户程序应该建立一个新的工作线程专门获取外设传来的数据。程序中主要用到两个api函数：createfile（）和deviceiocontrol （）。createfile（）取得设备句柄后，deviceiocontrol （）根据该句柄完成数据传输。程序代码简要如下：
hdevice = createfile（″\\\\。\\ezusb-0″）
generic_read | generic_write，
file_share_write，
null，
open_existing，
file_attribute_normal，
null）;
if （hdevice == invalid_handle_value）
{
application-》messageboxa（“无法创建设备，请确认设备是否连上！”，null，idok）;
}
else
{
deviceiocontrol （
hdevice，
ioctl_ezusb_bulk_write，
&blkctl，
sizeof（bulk_transfer_control），
&inbuffer， //定义的数据缓冲区
sizeof（inbuffer），
&nbytes，
null）;
……
}
程序框图如图5所示。
在该高速同步数据采集系统的设计中，cy7c68013芯片灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件的设计，提高了系统的可靠性，也利于pcb板的制作与调试。另外，usb设备的可热插拔特性使得该系统具有便携式的特点，使用方便，无需关机重启或打开机箱进行安装。该数据采集系统已成功地应用于某型。
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3 用户程序和驱动程序
3.1 驱动程序的编写
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hdevice = createfile（″\\\\。\\ezusb-0″）
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null，
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null）;
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{
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}
else
{
deviceiocontrol （
hdevice，
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&inbuffer， //定义的数据缓冲区
sizeof（inbuffer），
&nbytes，
null）;
……
}
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