基于USB2.0與LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝 勇，姚遠(yuǎn)程，秦明偉

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

通用串行總線 （Universal Serial Bus，USB）是一個(gè)外部總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊?；赨SB接口的數(shù)據(jù)采集卡具有熱插拔、傳輸速度快、通用性強(qiáng)、易擴(kuò)展和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種基于圖形程序的虛擬儀器編程語(yǔ)言，在測(cè)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

文中介紹了一種基于USB2.0[1]和LabVIEW[2]的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由軟件設(shè)計(jì)和硬件電路兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)PC程序設(shè)計(jì)，其中底層驅(qū)動(dòng)程序基于NI-VISA設(shè)計(jì)[3]，用戶應(yīng)用程序由Lab VIEW開(kāi)發(fā)，驅(qū)動(dòng)程序的功能如同上位機(jī)應(yīng)用程序和下位機(jī)硬件之間通信的橋梁。

硬件電路由FPGA、USB2.0控制器和ADC器件構(gòu)成[4]。其中USB2.0控制器芯片采用Cypress公司的EZ-USB FX2芯片，F(xiàn)PGA芯片選用了Xilinx公司的Virtex-4系列的XC4VSX55，ADC器件采用AD公司的AD9430。USB2.0控制器部分負(fù)責(zé)FPGA與上位機(jī)PC間的雙向通信；FPGA部分作為系統(tǒng)的主控制器，負(fù)責(zé)接收并解析上位機(jī)PC傳遞的控制指令，同時(shí)FPGA將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳送到上位機(jī)PC處理；AD9430完成前端模擬信號(hào)的高速采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ADC采樣電路設(shè)計(jì)

AD9430是AD公司的一款12位單芯片采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），專門針對(duì)高性能、低功耗和易用性進(jìn)行了優(yōu)化。AD9430的轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)210 MSPS，具有杰出的動(dòng)態(tài)性能，適合寬帶載波和寬帶系統(tǒng)使用。芯片上集成了全部必需功能，包括采樣保持（T/H）與基準(zhǔn)電壓源，可提供完整的信號(hào)轉(zhuǎn)換解決方案。AD9430要求采用3.3 V電源供電及差分ENCODE時(shí)鐘信號(hào)，以便充分發(fā)揮其工作性能。數(shù)字輸出為TTL/CMOS兼容或LVDS兼容，支持二進(jìn)制補(bǔ)碼或偏移二進(jìn)制格式。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Whole structure chart of system

本系統(tǒng)采用FPGA生成AD9430的采樣時(shí)鐘和工作模式寄存器的配置。前端模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)AD9430采樣量化為數(shù)字信號(hào)后送入FPGA內(nèi)部生成的FIFO做緩存處理，避免了采樣數(shù)據(jù)率和USB接口傳輸數(shù)據(jù)率不匹配而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。FIFO的深度是由讀寫(xiě)FIFO的時(shí)鐘以及所需連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)塊的大小來(lái)決定的，本設(shè)計(jì)FIFO深度為1 024，數(shù)據(jù)總線位寬為16 bit。

2.2 USB接口電路設(shè)計(jì)

EZ-USB FX2有3種接口方式：Ports、slaveFIFO和GPIF。在本系統(tǒng)中采用的是slaveFIFO模式，在該模式下，F(xiàn)X2芯片內(nèi)部FIFO能自動(dòng)向USB提交包，外部控制器可以將數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)紽IFO中，而不需要FX2固件程序的干預(yù)，較好地解決了USB高速模式的帶寬瓶頸問(wèn)題。在slaveFIFO模式下，EZ-USB FX2與FPGA主控制器的接口電路如圖2所示。

其中IFCLK為接口時(shí)鐘，為了保持系統(tǒng)良好的時(shí)鐘同步性，設(shè)計(jì)中采用FPGA通過(guò)DCM分頻生成40 MHz時(shí)鐘。FLAGA-FLAGD為FIFO標(biāo)志管腳，用于映射端點(diǎn)的空、滿；SLOE用于使能數(shù)據(jù)總線FD的輸出，當(dāng)SLOE信號(hào)有效時(shí)，才能從FIFO讀數(shù)據(jù)；SLRD和SLWR分別作為FIFO的同步讀、寫(xiě)選通信號(hào)，當(dāng)SLRD或SLWR信號(hào)有效時(shí)，才能在IFCLK的驅(qū)動(dòng)下讀寫(xiě)FIFO；FD [15:0]為16位雙向數(shù)據(jù)總線，負(fù)責(zé)上下位機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸；FIFOADR[1:0]用于選擇當(dāng)前操作的端點(diǎn)緩沖區(qū)，其中“00”表示選擇 EP2，“10”表示選擇 EP6。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括USB固件程序、USB驅(qū)動(dòng)程序、FPGA控制程序以及LabVIEW應(yīng)用程序4個(gè)部分。

3.1 USB固件程序設(shè)計(jì)

USB固件程序開(kāi)發(fā)主要包括如下幾個(gè)部分，首先定義USB設(shè)備的描述符：VID為0x04B4，PID為0x1002。然后設(shè)定EZ-USB FX2的工作模式為slaveFIFO模式，F(xiàn)IFO工作時(shí)鐘IFCLK由FPGA分頻產(chǎn)生；配置EP2為OUT端點(diǎn)，上位機(jī)指令通過(guò)OUT端點(diǎn)下傳給FPGA解析，配置EP6為IN端點(diǎn)，下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)IN端點(diǎn)上傳到上位機(jī)PC，端點(diǎn)數(shù)據(jù)總線寬度為16 bit，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小為2048字節(jié)；同時(shí)配置FLAGA為端口EP2空標(biāo)志，配置FLAGC為端口EP6滿標(biāo)志。Cypress公司為了簡(jiǎn)化和加快用戶使用EZ-USB FX2芯片進(jìn)行USB外設(shè)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，提供了一個(gè)完整的固件程序的框架[5-6]，本設(shè)計(jì)的主要固件程序如下：

3.2 USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序是開(kāi)發(fā)USB外設(shè)的一個(gè)關(guān)鍵，它在整個(gè)系統(tǒng)中處于上位機(jī)應(yīng)用程序和USB固件程序之間。它的主要作用是使上位機(jī)操作系統(tǒng)能夠識(shí)別USB設(shè)備，并建立起上位機(jī)和下位機(jī)USB設(shè)備之間的通訊。

本設(shè)計(jì)通過(guò)配置NI-VISA直接開(kāi)發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序[7]，極大降低了設(shè)計(jì)難度和開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)USB設(shè)備和上位機(jī)LabVIEW應(yīng)用程序無(wú)縫連接。設(shè)計(jì)中采用了比較成熟的NI-VISA 5.0版本，配置NI-VISA的步驟如下：

1）使用Driver Development Wizard（驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)向?qū)В﹦?chuàng)建INF文檔；

2）安裝INF文檔，并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備；

3）使用NI-VISA Interactive Control（NI-VISA互動(dòng)控制工具）對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，以證實(shí)USB設(shè)備已正確安裝，并獲得USB設(shè)備的各屬性值。

3.3 FPGA控制程序設(shè)計(jì)

FPGA作為外部主控制器，負(fù)責(zé)產(chǎn)生EZ-USB FX2工作在slaveFIFO模式所需的控制信號(hào)。FPGA通過(guò)監(jiān)測(cè)EZ-USB FX2內(nèi)部FIFO的空滿標(biāo)志，生成對(duì)應(yīng)的讀寫(xiě)信號(hào)來(lái)操作FIFO，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸。

在slaveFIFO模式下，EZ-USB FX2有兩種傳輸方式：同步和異步。同步方式可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速度，所以被本設(shè)計(jì)采用。在同步方式下，傳輸時(shí)鐘IFCLK由FPGA提供，當(dāng)SLOE和SLRD為低電平且SLWR為高電平時(shí)，一個(gè)IFCLK周期完成一個(gè)數(shù)據(jù)的讀操作；當(dāng)SLWR為低電平且SLOE和SLRD為高電平時(shí)，一個(gè)IFCLK周期完成一個(gè)數(shù)據(jù)的寫(xiě)操作。USB接口芯片的控制信號(hào)由VHDL硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)并映射到FPGA中運(yùn)行。FPGA讀、寫(xiě)EZ－USB FX2內(nèi)部FIFO的時(shí)序仿真結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖2 FPGA與EZ-USB FX2連接圖Fig.2 Connection diagram of FPGA and EZ-USB FX2

圖3 FPGA讀FIFO仿真波形Fig.3 Simulation waveform of FPGA reading FIFO

圖4 FPGA寫(xiě)FIFO仿真波形Fig.4 Simulation waveform of FPGA writing FIFO

3.4 基于LabVIEW的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

在LabVIEW軟件平臺(tái)下，用戶利用創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫(xiě)程序，使創(chuàng)建的程序模塊化，程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀，易于調(diào)試和維護(hù)。而且應(yīng)用程序的界面美觀、逼真，人機(jī)界面更友好。一個(gè)LabVIEW程序分為3部分:前面板、框圖程序和圖標(biāo)/接線端口。前面板用于模擬真實(shí)儀器的前面板；框圖程序是利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板上的控件對(duì)象進(jìn)行控制；圖標(biāo)/接線端口用于把LabVIEW程序定義成一個(gè)子程序模塊，從而實(shí)現(xiàn)模塊化編程。

LabVIEW程序的程序框圖如圖5所示。整個(gè)應(yīng)用程序的主框架使用了WHILE循環(huán)不斷的查詢主機(jī)狀態(tài)。設(shè)計(jì)中采用了LabVIEW的事件結(jié)構(gòu)編程。事件驅(qū)動(dòng)的編程允許用戶通過(guò)前面板的操作，或是其他的異步事件來(lái)驅(qū)動(dòng)LabVIEW程序的運(yùn)行。本設(shè)計(jì)中采用前面板的用戶按鈕操作作為事件驅(qū)動(dòng)源。同時(shí)關(guān)閉程序也作為一個(gè)事件分支，避免了程序死鎖問(wèn)題的發(fā)生。在“開(kāi)始采集”事件中通過(guò)直接調(diào)用VISA函數(shù)子VI來(lái)讀寫(xiě)USB設(shè)備，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制指令的下傳和下位機(jī)采集數(shù)據(jù)的上傳。

LabVIEW程序主要工作流程：用戶在操作應(yīng)用程序前面板界面時(shí)，點(diǎn)擊開(kāi)始采集按鈕就會(huì)觸發(fā)程序的開(kāi)始采集事件分支。在該分支中程序首先通過(guò) “VISA打開(kāi)”VI打開(kāi)USB設(shè)備，然后通過(guò)“VISA寫(xiě)入”VI將上位機(jī)十六進(jìn)制的控制指令 “0101”通過(guò)USB接口發(fā)送到下位機(jī)，F(xiàn)PGA完成指令的接收和解析。下位機(jī)接收到采集指令后開(kāi)始往EZUSB FX2芯片的FIFO中寫(xiě)入采集的數(shù)據(jù)，上位機(jī)則通過(guò)“VISA讀取”VI開(kāi)始接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)“數(shù)據(jù)顯示”VI顯示在前面板，同時(shí)利用LabVIEW靈活的數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)方式，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為二進(jìn)制格式的文件保存起來(lái)以便后續(xù)處理。用戶完成采集過(guò)程后，關(guān)閉VISA，結(jié)束程序運(yùn)行。

圖5 LabVIEW程序框圖Fig.5 Block diagram of LabVIEW program

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序開(kāi)發(fā)完成后，通過(guò)軟硬件聯(lián)合測(cè)試以驗(yàn)證系統(tǒng)傳輸系能。測(cè)試步驟如下：首先通過(guò)NIVISA配置好EZ－USB FX2的驅(qū)動(dòng)程序，用EZ－USB Control Panel軟件完成固件程序下載。如圖6前面板所示，上位機(jī)檢測(cè)到的USB設(shè)備的VID為0x04B4，PID為0x1002，這與在固件程序中的設(shè)定一致，說(shuō)明通過(guò)NI－VISA完成了USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。USB設(shè)備和上位機(jī)PC正確連接后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。然后在前面板設(shè)置采集長(zhǎng)度為512字節(jié)，單擊“開(kāi)始采集”按鈕，下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)顯示在圖6中數(shù)據(jù)顯示VI中。采集的數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制數(shù)表示的0000～00FF，與下位機(jī)FPGA寫(xiě)入U(xiǎn)SB芯片內(nèi)部FIFO的數(shù)據(jù)完全一致，證明系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍㄟ^(guò)總線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件BusHound實(shí)時(shí)測(cè)試，本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)30 MByte/s。

圖6 LabVIEW程序前面板Fig.6 Front panel of LabVIEW program

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)軟件、硬件均已調(diào)試通過(guò)，并已應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，運(yùn)行良好。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)結(jié)合USB和LabVIEW各自優(yōu)點(diǎn)完成設(shè)計(jì)，降低了開(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的難度，縮短了研制周期，而由LabVIEW開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面更友好、美觀。同時(shí)本系統(tǒng)硬件集成度高，成本低，結(jié)構(gòu)靈活便于擴(kuò)展，具有更強(qiáng)的實(shí)用和推廣價(jià)值。

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