【正文】 時 鐘控 制數(shù) 據(jù) 輸 入控 制數(shù) 據(jù)模 擬輸 入F P G A外圍電路電 源 圖41 硬件電路框架Figure41 Hardware circuit framework FPGA FPGA 簡介FPGA是Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，是一種能夠用編程的方法設(shè)計內(nèi)部硬件電路結(jié)構(gòu)的集成電子器件。首先簡單介紹硬件電路的整體構(gòu)架，然后介紹芯片的選擇，最后介紹各個模塊的具體實現(xiàn)方式。其中，固件程序的主要功能是用來設(shè)置USB的工作模式，并對用戶發(fā)來的各種請求做相關(guān)的處理，以保證傳輸數(shù)據(jù)的高效；驅(qū)動程序好比就是硬件電路和上位機(jī)客戶應(yīng)用程序的橋梁；而客戶應(yīng)用程序主要為用戶提供可視化的操作界面，用戶只要輕松的設(shè)置界面上相關(guān)參數(shù)或者點擊相關(guān)功能按鈕就可以實現(xiàn)對硬件電路的控制。系統(tǒng)總體設(shè)計11 軟件構(gòu)成用戶要想使上位機(jī)能夠發(fā)送命令給硬件，并接收下層硬件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，沒有相應(yīng)的軟件程序來協(xié)助是不可能完成這些功能的。根據(jù)硬件要實現(xiàn)的功能，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要設(shè)計了以下幾部分：AD轉(zhuǎn)換電路，F(xiàn)PGA控制器及外圍電路，USB 接口電路以及電源電路。系統(tǒng)總體框圖如圖32所示。整體設(shè)計思路為：用戶首先登入界面程序并發(fā)出相應(yīng)的采集命令；然后命令通過USB傳輸?shù)较挛粰C(jī)也就是采集卡，緊接著采集卡的主控制器FPGA根據(jù)命令控制AD進(jìn)行模數(shù)變換的操作，直到計算機(jī)終端收到經(jīng)由USB傳輸過來轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，最后用戶在程序中可以輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)的接收、存儲和顯示等相關(guān)功能。因此本文中選用FPGA作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器，它可以代替許多傳統(tǒng)的邏輯電路，也可使系統(tǒng)設(shè)計簡單化、產(chǎn)品小型化。FPGA不僅可以使電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高穩(wěn)定性，還能讓開發(fā)周期縮短、電路板面積縮小、開西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文10發(fā)軟件投入少、成本不斷降低等 【45】 。既然采用單片機(jī)或DSP作為控制器的數(shù)據(jù)采集卡有很大的缺陷，那么就應(yīng)該尋找速度更快，能更好的對外圍硬件進(jìn)行邏輯控制的控制器。單片機(jī)的時鐘頻率比較低，需要軟件支持來實現(xiàn)其功能，然而軟件的運行時間比較長，就會成為采樣速率的一個阻礙。 系統(tǒng)方案的確定基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型框架如圖31所示。當(dāng) USB 設(shè)備的主要功能設(shè)計完成了，但為了完整和完善設(shè)備的整體功能，還需要對整個軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)試。軟件開發(fā)則主要包括設(shè)計 USB 芯片固件程序、驅(qū)動程序和用戶界面程序等；而硬件開發(fā)主要包括設(shè)備功能組件、硬件接口、資源分配等。（3）USB 軟硬件開發(fā)。在明確了 USB 設(shè)備的功能要求后，我們就要選擇一款合適的 USB 接口芯片。主要分析 USB 設(shè)備需要實現(xiàn)的所有功能，以及每個功能采用的實現(xiàn)方式、數(shù)據(jù)傳輸類型和速率、所需要的硬件資源等。但是，對于 USB 的不同傳輸模式會用到不同特性的電纜。典型 USB 接頭如圖 22 所示。當(dāng)然無論 A 型還是 B 型的 USB 接頭，它們均有 4 根引線：V CC、GND、D + 、D ，分別對應(yīng) USB 電纜的 4 根導(dǎo)線。（3）USB 的連接USB 連接器有兩種：A 型和 B 型，A 型插座與 A 型插頭匹配，B 型插座與 B 型插頭匹配。USB 設(shè)備與其主機(jī)的連接主要包括 USB 主機(jī)與集線器的上行端口連接以及 USB 設(shè)備與集線器的下行端口連接。USB 功能設(shè)備連接到 USB 主機(jī)后，主機(jī)需對其進(jìn)行配置設(shè)置，這樣 USB 功能設(shè)備才可以使用。（2）USB 設(shè)備伴隨著 USB 接口的飛速發(fā)展，USB 設(shè)備種類越來越豐富，主要包括 USB 功能設(shè)備和 USB 集線器兩種類型。USB 系統(tǒng)中不能有多個USB 主機(jī)同時存在，如果有多個主機(jī)就會引起系統(tǒng)混亂。系統(tǒng)總體設(shè)計5U S B 設(shè)備U S B 主機(jī)上行通信下行通信圖21 簡單的USB系統(tǒng)Figure21 Simple USB system（1）USB 主機(jī)廣義上講，具有 USB 端口的計算機(jī)以及其他具有 USB 主控芯片的設(shè)備都可以稱為USB 主機(jī)。對于 USB 主機(jī)與其設(shè)備之間的通信，包含上行通信和下行通信。USB 系統(tǒng)中最重要的就是 USB 主機(jī)和 USB 設(shè)備。USB 總線接口與傳統(tǒng)的計算機(jī)接口相比，具有以下明顯的優(yōu)點：①接口體積小巧，具有很相當(dāng)大的體積優(yōu)勢，在目前計算機(jī)和集成化的趨勢中，得到了廣泛的應(yīng)用；②能夠適應(yīng)低速、全速和高速的傳輸速率操作；③為適應(yīng)不同外部設(shè)備對于不同功能的需要，它提供了 4 種不同類型的傳輸；④即插即用是它基本功能之一，對于 USB 設(shè)備來說，只要安裝了與之適應(yīng)的驅(qū)動程序，它就可以工作；⑤USB 接口具有外部供電能力，計算機(jī)上的 USB 接口最大可以輸出 500mA 的電流，5V 的電壓，滿足大多數(shù)微處理系統(tǒng)對電源的要求；⑥具有良好的兼容性，隨著技術(shù)的發(fā)展，USB 規(guī)范包括、 ，以及無線 USB 和 USBOTG 等多個版本，并且 USB 規(guī)范都具有良好的向下兼容性；⑦性價比高，目前，隨著技術(shù)的發(fā)展和 USB 設(shè)備的普及，USB 的芯片以及 USB 電纜的價格都已十分低廉，USB 接口的性價比日益提高。本文研究的主要內(nèi)容有：①分析了USB總線特點、系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)以及開發(fā)流程等；②設(shè)計了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路，同時完成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和FPGA的連接，F(xiàn)PGA與USB 的連接，以及FPGA外圍電路的設(shè)計；在要求各個元器件對電源電壓的相適應(yīng)的條件下，設(shè)計提供了相匹配的電源系統(tǒng)；完成了系統(tǒng)原理圖設(shè)計和PCB圖的繪制；③利用硬件描述語言VerilogHDL，編寫了基于FPGA內(nèi)部邏輯控制模塊，完成了對AD采樣的控制，以及對USB 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲虎芊治隽薝SB接口電路的固件程序開發(fā)步驟，并用C51語言開發(fā)了USB接口設(shè)備的固件程序，實現(xiàn)了USB在 Slave FIFO模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽虎菥帉懥松衔粰C(jī)的應(yīng)用程序，完成了數(shù)據(jù)的讀取與顯示；⑥最后結(jié)合硬件和軟件對整個系統(tǒng)進(jìn)行了最終測試，并給出了測試大量有益結(jié)果與緒論3分析。對于輸入的模擬信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在FPGA的控制下傳輸給USB，然后再通過USB 控制接口將數(shù)字信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。 本文研究的主要內(nèi)容本文在分析USB總線的體系結(jié)構(gòu)和特點基礎(chǔ)上，確定了一種基于USB的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案?，F(xiàn)階段隨著USB協(xié)議的不斷完善，對比其他采集系統(tǒng)，USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口的性能會有其他產(chǎn)品無法媲美的優(yōu)勢，它會得到越來越廣泛的應(yīng)用。NI公司研制的一系列 USB數(shù)據(jù)采集卡可以說是其中的代表，但是NI公司的USB數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品的價格普遍偏高，因此對于國內(nèi)的大多數(shù)用戶來說顯然無法承受這樣昂貴的價格。我們注意到USB接口因其即插即用、可兼容性以及可擴(kuò)展性等優(yōu)點得到了極其廣泛的應(yīng)用，它己經(jīng)成功的應(yīng)用到了信息產(chǎn)業(yè)、家電產(chǎn)業(yè)和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)等，特別是在數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用尤為突出。這些產(chǎn)品中大都集成了功能強(qiáng)大的處理器，顯然提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2和傳輸速度，同時在一定程度上降低了開發(fā)難度。直到2022年11月26日，USB 促進(jìn)委員會才正式宣布新一代 已經(jīng)制定完全，可謂是向前邁了一大步。但在隨后的幾年時間里，直到2022年底才塵埃落定。因此，USB作為一種新的計算機(jī)接口應(yīng)運而生。RS23并行接口、PCI等老式計算機(jī)接口存在規(guī)范不統(tǒng)一、體積龐大、可擴(kuò)展性差、不支持熱插拔等缺陷。因此，USB總線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的ISA或PCI 總線用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以滿足人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷性、高速性、擴(kuò)展性和通用性的要求。具有USB接口的數(shù)據(jù)采集卡就可以通過USB 電纜獲得穩(wěn)定可靠的工作電源。通用串行總線(Universal Serial Bus) USB作為目前最重要的計算機(jī)外設(shè)互聯(lián)接口，它具有即插即用、傳輸速率高、且易于擴(kuò)展的優(yōu)點。目前常用的數(shù)據(jù)采集方式主要是將基于ISA或PCI的數(shù)據(jù)采集板卡安裝在工業(yè)控制機(jī)或者PC 機(jī)內(nèi)。 Application目錄I目 錄 1 緒論 ..................................................................................................................................................................1 研究背景與意義 ...................................................................................................................................1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢 ......................................................................................................................1 本文研究的主要內(nèi)容 ..........................................................................................................................22 USB 簡介 ..........................................................................................................................................................3 USB 總線的特點 ...................................................................................................................................3 USB 總線結(jié)構(gòu) .......................................................................................................................................3 USB 設(shè)備的開發(fā)流程 ...........................................................................................................................53 系統(tǒng)總體設(shè)計 .................................................................................................................................................7 系統(tǒng)的性能指標(biāo) ..................................................................................................................................7 系統(tǒng)方案的確定 ..................................................................................................................................7 硬件構(gòu)成 ..............................................................................................................................................8 軟件構(gòu)成 ..............................................................................................................................................94 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn) .......................................................................................................................11 FPGA ...................................................................................................................................................11 FPGA 簡介 ...............................................................................................................................11 FPGA 芯片的選擇 ...........................................