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摘要：现阶段，在经济高速发展以及科学技术不断进步的大背景下，我国各行各业都得到了快速发展的良机，对数据采集系统的实际需求也越来越多，也对高速数据采集系统的实用性和精度等都提出了更高的要求。基于此，本文主要对基于USB通信的FPGA高速数据采集系统的设计和研发进行了讨论，希望进一步推动数据采集系统的发展与创新，仅供参考。
关键词：USB通信;FPGA;高速数据采集;硬件;软件
文章编号：1005-7277（2019）05-0201-03
Abstract：At the present stage， under the background of rapid economic development and continuous progress of science and technology， all walks of life in our country have got a good opportunity for rapid development， the actual demand for data acquisition system is also more and more， but also put forward higher requirements for the practicability and accuracy of high-speed data acquisition system. Based on this， this paper mainly discusses the design and development of FPGA high-speed data acquisition system based on USB communication， hoping to further promote the development and innovation of data acquisition system， for reference only.
Key words：The USB communication; FPGA; High speed data acquisition; Hardware; software
引言
随着现代通信技术的飞速发展，数据采集系统的研发与设计也出现了很大变化，人们对于数据采集系统的采集速度和采集精度等方面的要求也在不断提高。其中，USB接口是一种应用十分广泛的串型接口总线，具有即插即用的特点，使用十分方便，并且具有很高的数据传输速度;而FPGA作为高速数据采集系统的核心控制器，可以通过USB接口与上位机进行连接并传输数据，两者和有效联合可以满足数据的高速采集。
一、高速数据采集系统的器件选择
（一）光电转换和A/D转换器件
光电转换器件可以选用低热噪声、抗干扰性和杂散电容性好的PINFET器件，可以有效降低外部干扰和热噪声，是一种应用比较广泛的PIN器件。PINFET器件的使用无需后续电路，并且具有模块化的设计，使用的过程中产生的噪声很小，并且输出电压小，后续A/D转换器的数据采集电压可以获得更加广泛的工作范围。A/D转换器件选用的是12位双通道差分输入SAR型A/D转换器件，该器件结构简单，使用便捷。SAR型A/D转换器件的设计运行电压为2.5V，与FPGA完全匹配，两者可以共用电源，精简数据采集系统的供电系统[1]。
（二）FPGA器件
FPGA器件需要对高速数据采集系统的16路信号数据进行缓存，为此，FPGA器件需要比较大的内部存储空间，可以选用XC4VSX25器件，其内部模块的RAM可以达到2M，分布式的RAM高达160KB，可以达到数据采集系统的实际需求[2]。
（三）USB器件
高速數据采集系统的USB器件需要具备使用简单、连接容易的特点，但是其通信协议却很复杂。为此，USB外设必须要使用相应的控制芯片，例如集成了8051单片机的CY7C68013A控制器芯片，该芯片具有很高的数据传输速率，是现阶段USB外设使用最为广泛的控制芯片。该控制器芯片主要有USB收发器、串行引擎以及8051型内核和存储器、I/O接口、数据总线与地址总线等组成。该控制芯片的结构十分独特，其中的串行接口引擎主要实现数据解码、位填充等功能，从而减轻了8051型内核的运行负担，将USB固件程序的开发设计进行了很好的简化。
二、高速数据采集系统的硬件设计
基于USB通信的FPGA高速数据采集系统的硬件设计主要由A/D转换电路、系统数据高速采集与传输控制电路、USB接口电路等硬件组成。其中，高速数据采集系统中的A/D转换电路是整个系统设计中的最重要的组成部分，A/D转换电路包括低通滤波器、A/D转换器和多通路转换开关三个组件构成。滤波器在A/D转换电路的运行过程中可以将采集到的模拟信号数据进行除高频处理，并通过模拟信号选择器将FPGA板的地址码经由通路输送到系统输出端，最终由A/D转换器将收到的模拟信号数据转换成数字信号数据。
高速数据采集系统的数据采集与传输控制电路的设计主要集中在FPGA上，FPGA的主要作用就是在ADC芯片和USB之间形成有效的缓冲和控制，将ADC接口与USB接口进行连接，并实现数据的采集、通道切换以及A/D转换等，从而实现了数据采集系统对数据缓存、读/写功能、以及ADC的控制。数据采集与传输控制电路的设计需要有FIFO、USB接口控制状态机、ADC接口控制状态机以及控制寄存器和三态门缓冲器等组件构成[3]。数据采集系统获取的数据需要在ADC结构控制状态机的协调下被输送到FPGA的FIFO当中，在得到缓冲以后再经由USB接口控制状态机的协调，如果三态门的输出为高时，则会呈现开启状态，数据可以经由三态门传输到FPGA外部的USB结构;如果三态门的输出为低时，则会呈现出高阻态，在此状态下来自PC机的控制数据则会被输送到FPGA中。高速数据采集系统的控制信号均由FPGA提供，其工作时钟为60MHz，经过分频以后可以作为FPGA组件中其它逻辑的工作时钟[4]。
三、高速数据采集系统的软件设计
高速数据采集系统的软件设计部分有以下三个方面，分别为CY7C68013的固件程序、Windows平台的USB设备驱动程序设计以及应用程度。当PC机连接到新的数据采集设备的时候，Windows操作系统会根据接入的USB设备返送的相关信息去自动查找和运行设备驱动程序，待USB设备驱动程度正确装载安装完成以后，PC机的应用程序就可以通过USB设备的驱动程序完成与PC机USBDI的通信，并作出USB数据传输的指令动作。而CY7C68013的固件系统是一种在PC机外设接口芯片中运行的代码，通过代码去响应来自数据采集系统的USB标准请求，最终完成数据采集、数据交换和传输等事务处理。高速数据采集系统方框图如图1所示。
四、结论
基于USB通信的FPGA高速数据采集系统的开发和设计，主要以FPGA为主要控制器，并通过ADC前端将传输数据信号进行转化，再利用USB数据接口将转化后的数据信号传输到PC机上位机上。该系统的设计研究可以通过系统硬件器件的选择、硬件电路设计和软件设计等环节完成，将UBS接口的数据传输速度快、数据量大等优势特点与FPGA的数据缓存特点有效融合，可以实现高速的数据采集和传输，完全满足设计设想， 满足正常工作需求。
参考文献
丁传勇，刘婧，翁铁，等.基于USB接口的高速信号采集系统设计[J].数码世界， 2019（3）：125.
苗成林，李彤，吕军，等.基于FPGA的高速数据采集系统的设计与开发[J].信息通信，2015（9）：48-50.
何妙妙.基于FPGA的USB高速数据采集器[D].西安工程大学，2017.
陈柯勋，王振田，王飞.基于FPGA和USB2.0的数据采集系统[J].工业技术创新，2017（5）：255-256.
作者简介：
吉强（1985-），男，山东临沂人，江苏安全技术职业学院，硕士研究生，讲师，地址：江苏徐州贾汪区大学路1号。
关键词：USB通信;FPGA;高速数据采集;硬件;软件
文章编号：1005-7277（2019）05-0201-03
Abstract：At the present stage， under the background of rapid economic development and continuous progress of science and technology， all walks of life in our country have got a good opportunity for rapid development， the actual demand for data acquisition system is also more and more， but also put forward higher requirements for the practicability and accuracy of high-speed data acquisition system. Based on this， this paper mainly discusses the design and development of FPGA high-speed data acquisition system based on USB communication， hoping to further promote the development and innovation of data acquisition system， for reference only.
Key words：The USB communication; FPGA; High speed data acquisition; Hardware; software
引言
随着现代通信技术的飞速发展，数据采集系统的研发与设计也出现了很大变化，人们对于数据采集系统的采集速度和采集精度等方面的要求也在不断提高。其中，USB接口是一种应用十分广泛的串型接口总线，具有即插即用的特点，使用十分方便，并且具有很高的数据传输速度;而FPGA作为高速数据采集系统的核心控制器，可以通过USB接口与上位机进行连接并传输数据，两者和有效联合可以满足数据的高速采集。
一、高速数据采集系统的器件选择
（一）光电转换和A/D转换器件
光电转换器件可以选用低热噪声、抗干扰性和杂散电容性好的PINFET器件，可以有效降低外部干扰和热噪声，是一种应用比较广泛的PIN器件。PINFET器件的使用无需后续电路，并且具有模块化的设计，使用的过程中产生的噪声很小，并且输出电压小，后续A/D转换器的数据采集电压可以获得更加广泛的工作范围。A/D转换器件选用的是12位双通道差分输入SAR型A/D转换器件，该器件结构简单，使用便捷。SAR型A/D转换器件的设计运行电压为2.5V，与FPGA完全匹配，两者可以共用电源，精简数据采集系统的供电系统[1]。
（二）FPGA器件
FPGA器件需要对高速数据采集系统的16路信号数据进行缓存，为此，FPGA器件需要比较大的内部存储空间，可以选用XC4VSX25器件，其内部模块的RAM可以达到2M，分布式的RAM高达160KB，可以达到数据采集系统的实际需求[2]。
（三）USB器件
高速數据采集系统的USB器件需要具备使用简单、连接容易的特点，但是其通信协议却很复杂。为此，USB外设必须要使用相应的控制芯片，例如集成了8051单片机的CY7C68013A控制器芯片，该芯片具有很高的数据传输速率，是现阶段USB外设使用最为广泛的控制芯片。该控制器芯片主要有USB收发器、串行引擎以及8051型内核和存储器、I/O接口、数据总线与地址总线等组成。该控制芯片的结构十分独特，其中的串行接口引擎主要实现数据解码、位填充等功能，从而减轻了8051型内核的运行负担，将USB固件程序的开发设计进行了很好的简化。
二、高速数据采集系统的硬件设计
基于USB通信的FPGA高速数据采集系统的硬件设计主要由A/D转换电路、系统数据高速采集与传输控制电路、USB接口电路等硬件组成。其中，高速数据采集系统中的A/D转换电路是整个系统设计中的最重要的组成部分，A/D转换电路包括低通滤波器、A/D转换器和多通路转换开关三个组件构成。滤波器在A/D转换电路的运行过程中可以将采集到的模拟信号数据进行除高频处理，并通过模拟信号选择器将FPGA板的地址码经由通路输送到系统输出端，最终由A/D转换器将收到的模拟信号数据转换成数字信号数据。
高速数据采集系统的数据采集与传输控制电路的设计主要集中在FPGA上，FPGA的主要作用就是在ADC芯片和USB之间形成有效的缓冲和控制，将ADC接口与USB接口进行连接，并实现数据的采集、通道切换以及A/D转换等，从而实现了数据采集系统对数据缓存、读/写功能、以及ADC的控制。数据采集与传输控制电路的设计需要有FIFO、USB接口控制状态机、ADC接口控制状态机以及控制寄存器和三态门缓冲器等组件构成[3]。数据采集系统获取的数据需要在ADC结构控制状态机的协调下被输送到FPGA的FIFO当中，在得到缓冲以后再经由USB接口控制状态机的协调，如果三态门的输出为高时，则会呈现开启状态，数据可以经由三态门传输到FPGA外部的USB结构;如果三态门的输出为低时，则会呈现出高阻态，在此状态下来自PC机的控制数据则会被输送到FPGA中。高速数据采集系统的控制信号均由FPGA提供，其工作时钟为60MHz，经过分频以后可以作为FPGA组件中其它逻辑的工作时钟[4]。
三、高速数据采集系统的软件设计
高速数据采集系统的软件设计部分有以下三个方面，分别为CY7C68013的固件程序、Windows平台的USB设备驱动程序设计以及应用程度。当PC机连接到新的数据采集设备的时候，Windows操作系统会根据接入的USB设备返送的相关信息去自动查找和运行设备驱动程序，待USB设备驱动程度正确装载安装完成以后，PC机的应用程序就可以通过USB设备的驱动程序完成与PC机USBDI的通信，并作出USB数据传输的指令动作。而CY7C68013的固件系统是一种在PC机外设接口芯片中运行的代码，通过代码去响应来自数据采集系统的USB标准请求，最终完成数据采集、数据交换和传输等事务处理。高速数据采集系统方框图如图1所示。
四、结论
基于USB通信的FPGA高速数据采集系统的开发和设计，主要以FPGA为主要控制器，并通过ADC前端将传输数据信号进行转化，再利用USB数据接口将转化后的数据信号传输到PC机上位机上。该系统的设计研究可以通过系统硬件器件的选择、硬件电路设计和软件设计等环节完成，将UBS接口的数据传输速度快、数据量大等优势特点与FPGA的数据缓存特点有效融合，可以实现高速的数据采集和传输，完全满足设计设想， 满足正常工作需求。
参考文献
丁传勇，刘婧，翁铁，等.基于USB接口的高速信号采集系统设计[J].数码世界， 2019（3）：125.
苗成林，李彤，吕军，等.基于FPGA的高速数据采集系统的设计与开发[J].信息通信，2015（9）：48-50.
何妙妙.基于FPGA的USB高速数据采集器[D].西安工程大学，2017.
陈柯勋，王振田，王飞.基于FPGA和USB2.0的数据采集系统[J].工业技术创新，2017（5）：255-256.
作者简介：
吉强（1985-），男，山东临沂人，江苏安全技术职业学院，硕士研究生，讲师，地址：江苏徐州贾汪区大学路1号。