基于USB接口的实用型数据采集卡设计

2.3 CPLD的选择与USB设计

在本设计中，所有的数字电路部分，全部是在CPLD内实现的。在本设计中采用了Lattice公司的ISP1032这块芯片，所用的EDA软件是Lattice公司的ispEXPERT system，编程语言为ABEL语言和电路原理图。

在用CPLD进行数字系统的设计一般采用由顶到下，由粗到细，逐步求精的原则，最顶层的设计是指系统的整体要求，最底层的设计是具体的逻辑电路的实现。经过在实践中检验，在高速数据采集卡中，用CPLD来实现数字逻辑电路功能，可以使高速数据采集卡工作稳定，各方面性能良好。

通用串行总线(Universal Serial Bus，简称USB)是1995年康柏、微软、IBM,DEC等公司为了解决传统总线的不足推广的一种新型串行通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势。在本文中采用的是具备USB通信功能的单片机的芯片，Cypress公司的EZ-USB FX2。

3 系统软体设计

3.1 USB设备驱动程序

图4 USB驱动程序体系结构

Windows系统对构成一个USB总线主机的不同软件部分进行了明确的划分，如图4所示，其中USB客户软件仅仅包含了用来控制不同的USB外设的设备驱动程序。USB客户软件会通过一个Windows所定义的一个软件接口来同根集线器驱动程序进行通信。而USB根集线器驱动程序则要通过USBDI(通用串行总线驱动程序接口)来实现同USBD通用串行总线驱动程序)的通信。然后，USBD会选择两种主控制器驱动程序(UHCD和OpenHCI)之一来同其下方的主控制器进行通信。最后，在USB总线和主机控制器之间存在一个PCI总线枚举器，它负责在检测到系统中存在一个通用串行总线时，装载适当的USB总线系统软件，主控制器驱动程序会通过PC工枚举器软件直接实现对USB物理层总线的访问。HCD与USBD代表了基于对不同层次的抽象的软件接口，它们能以某种方式共同工作，以满足USB系统的整体要求。

3.2 固件程序开发

设备固件是设备运行的核心，它控制整个硬件系统的运行，并负责处理PC机发来的各种USB请求，以完成它们之间的数据传输。其主要功能包括控制放大模块、实现通道选择;控制A/D模块的数据采集;通过FX2实时上传采集数据给PC;控制FX2芯片接收并处理USB设备驱动程序的请求(如设置USB接口状态等多种USB协议标准请求)等。

Cypress公司提供的EZ-USB FX2软件包为用户开发基于EZ-USB FX2系列芯片的USB设备的编程提供了很大的方便。无论是开发基于外设的8051固件程序，还是开发基于USB主机的设备驱动程序或应用程序，该软件包都提供了较完备的程序框架和例程库。

EZ-USB FX2固件库为用户开发EZ-USB FX2固件提供了底层Keil C函数库。EZ-USB FX2软件开发包提供了该库的目标文件，同时还提供了该函数库的源代码，用户可以利用Keil来重新编写该函数库。

EZ-USB FX2固件是使用EZ-USB FX2程序框架或直接使用EZ-USB FX2固件库开发的程序，这是开发USB外设的重要部分。

FX2在其固件程序中把自己定义为USB大存储类、块传输子类，操作系统(Win98以上)有相应的USB类设备驱动程序来支持这种USB类外设，而不需要另外在操作系统内安装其驱动程序。在FX2的固件程序中写入USB通信模块，就可以实现主机和USB设备的通信。

固件程序必须包括DSCR.A51(A51宏汇编器), USBJmpTb.OBJ(目标文件转换器)和Ezusb.lib ( Ezusb C编译器库文件和启动代码)。

固件程序有两个C文件，一个是FW.C，即框架程序，定义了基本的USB设备的功能，一般不许修改。另一个是FUNCTION.C(FUNCTION为自己命名)，本设计要实现的具体功能在此文件中完成。

3.3 应用层程序

应用层程序用Visual C++6.0来开发，它可以直接调用底层的设备驱动程序。利用VC开发的应用软件具有高效、美观、操作方便等优点。

图5 软件流程图

如图5所示，本系统需要通过软件下载固件程序，对ADC、放大模块、采集模块进行控制，同时还要接收或者发送数据。在采集开始前，可以先将命令发送出去，实现在固件程序中定义的相应功能，如通过FX2口线控制前置放大模块等。然后可以读取传送到主机的数据，或者向设备发送数据等。

本文作者创新点: 本文设计的USB2.0为接口的数据采集卡，采样及数据传输速度都达到了24Mb/s，达到国内先进水平。同时该系统具有简单实用，硬件成本低，构造简单，复用性良好，功能强大的特点，也是该系统的优势之处。

作者：刘向文 来源：微计算机信息