FPGA和USB的双通道数据采集测试系统

黄远望，严济鸿

（电子科技大学电子工程学院，成都611731）

引 言

数据采集系统是信号与信息处理系统不可缺少的组成部分，其广泛应用于微电子技术、计算机技术和通信技术等领域。本文所述系统充分利用了现场可编程门阵列的灵活性［1］和通用串行总线（USB）体积小、即插即用、速度高等优点［2］，可实现多种频率信号的双通道触发采集。给出了该系统的硬件方案和电路原理，做了详细说明，同时介绍了FPGA 内部逻辑的设计，最后搭建实验平台对该系统的功能做了验证。

1 系统总体概述

硬件系统中包括差分接口电路、高速SRAM、时钟选择电路、FPGA 和USB 接口电路。输入的数据通过差分接口电路输入到FPGA 中，而数据的随路时钟则进入到时钟选择电路中做延时处理。当上位机发送采集命令后，FPGA 开始采集数据并存入到SRAM 中，当达到预定缓存区长度时，再由SRAM 将数据读出，通过USB 总线上传到计算机中。其中系统的整体结构如图1所示。

图1 数据采集系统框图

2 板级电路设计

2.1 主要器件选型

作为采集系统硬件核心的FPGA 选取Cyclone系列EP1C12Q240C6［3］芯片。该芯片采用全铜SRAM 工艺，封装为PQFQ240，保证了较低的焊接成本，同时具有高达175个用户I／O 口，能够充分满足本系统对I／O 口数量的需求。其内部集成了2个PLL锁相环，12 060个LE逻辑单元，存储资源达到239 616位，可以很好地支撑硬件资源的开销。与该芯片配套的还有Altera公司的专用配置芯片EPCS4，该芯片能够提供4 Mb的程序空间，它与FPGA 芯片之间采用专门的AS-JTAG 兼容配置电路连接。

数据缓存为高速SRAM 存储器CY7C1061AV33，其最大具有1 M×16位的存储空间，最高支持100 MHz的读写速度。

USB芯片采用的是CYPRESS公司使用广泛的EZUSB FX2LP系列CY7C68013A。该芯片支持USB2.0传输协议，内部集成了智能串行接口引擎和8051微处理器内核，其在低功耗的前提下可以实现数据传输的无缝连接，其数据传输速度可达到48 MHz。

差分接口芯片则为TI公司的SN65LVDS386，该芯片可将LVDS数据和时钟信号转换为LVTTL 格式的单端信号。要使其正常工作，需要在输入差分对信号之间串联一个100Ω 的电阻。

2.2 USB接口方案

USB 方案采用CY7C68013A 的SLAVE FIFO［4］模式，通过读写其内部的4个端点FIFO 的方式来实现数据的无缝连接。其硬件连接示意图如图2所示。

图2 SLAVE FIFO 方案硬件连接框图

其中FIFOADDR［1：0］为端点的地址线，FPGA 通过该地址线控制USB端点FIFO的选择；FD［15∶0］为双向数据总线；FLAGA／B／C为可编程状态指示信号，可以通过固件编程使其表示端点FIFO 的空满状态信息；SLCS＃为USB芯片片选信号；SLOE、SLWR、SLRD为读写端点FIFO的控制信号，低有效；PKTEND是数据包结束信号，IFCLK 为接口同步时钟，由USB芯片提供，频率为48MHz。

2.3 存储方案

由于FPGA 中资源量较小，而对于数据缓存最大容量为每一路数据为1M，采用FPGA 内部RAM 资源达不到其数据存储的要求，则采用外部存储的方式。为简化设计，对于存储器的选择采用了读写时序比较简单的SRAM。为了方便同时对两路数据存储，本系统中运用两片SRAM 分别完成两路数据通道的缓存。其中电路连接框图如图3所示。

其中，ADDR［19∶0］为地址总线，DATA［15：0］为双向数据总线，WEN、CEN、OEN 为读写使能信号，BHEN和BLEN 为高低字节有效信号。

图3 存储方案硬件连接框图

2.4 时钟方案

采用外部随路时钟进行采样，每一个数据通道对应一路时钟。每路时钟通过外部延时芯片，其延时量可通过FPGA 控制。其电路图如图4所示。

图4 外部时钟延时选择方案原理图

其中DS1100为延时芯片，其输出TAP1～TAP5 为输入时钟延时20～100ns的时钟信号。延时之后的时钟输出到8 路选择器74AC151中，输出控制端ADELAY＿SEL0～2连接到FPGA。通过这种方式，可以灵活地对输入时钟做适当延时，以保持时钟和数据之间的建立时间和保持时间关系，防止采样到亚稳态的情况。

2.5 电源方案

整个数据采集系统硬件所需要的供电电平有5 V、3.3V 和1.5V 三种情况，其中通过初步功率分析，3.3V和1.5V 提供的电流总量不超过1.5A，其可以通过线性电源芯片LM1086来实现，而5V 可由外围供电接口直接供电。其电路图如图5所示。

图5 电源模块原理图

LM1086-3.3直接提供5V到3.3V的电压转换，而1.5V电压是LM1086-ADJ输出端串接两个精密电阻（R1和R2）分压电路来实现的，其中两个电阻值之比为5：1。

3 FPGA程序设计

FPGA 的内部程序为本系统的核心内容，本设计采用模块化的设计思路，将系统分为各个子模块来完成相应的功能，最后集成为一个整体。下文中给出了每个功能模块的具体说明。

3.1 数据通道采样模块

在本系统中每个数据通道的输入位宽为16位，伴随数据的还有一个同步时钟输入。每个通道数据格式为IQ，两路数据相互交错输入，时钟上升沿为I，下降沿为Q。针对这样的数据格式，本设计采用两个并联的异步FIFO 的方式来实现数据的采集和时钟域的转换。两个FIFO 中一个接输入时钟，另外一个接输入时钟的反相时钟，通过这种方式来同时采样上升沿和下降沿的数据。为了保证数据采样过程中写入数据的连续性，必须保证在异步FIFO 之后的读取数据速度大于写数据的时钟速率，故在读时钟端采用48MHz时钟，使速率低于48Mbps的输入数据都能够被有效、连续地采集下来。

3.2 SRAM 读写模块

该模块完成外围存储芯片的读写操作，其读写速度达到48 Mbps。针对CY7C1061AV33 存储芯片的读时序，必须在一个地址稳定有效时间段内使得WEN 信号经历一个负脉冲的过程，才能保证数据正确地写入SRAM 中。读过程中，一直保持OEN 信号为低，输入待读取数据的地址，即可将存储器中相应位置的数据成功读取出来。在整个读写过程中，CEN 都保持为低，当该模块空闲状态时，该信号置高。

3.3 通道连接选择模块

此部分负责数据通道的选择。由于在采集前端是两路数据同时采集，而上传到PC 机上只有一路数据总线，故这里需要将传输到USB的数据通道根据主控程序的控制在A 通道和B通道之间切换。根据上位机参数设置指令可以指定采集的通道，可为A 通道、B通道或者AB 通道同时选择。当同时选择AB通道时，数据选择模块先将A 通道接到USB接口模块，A 通道传输完毕之后再将B通道接入。

3.4 USB接口模块

该模块为与外围USB芯片的接口程序主要完成接收并返回上位机的指令，并将采集的数据传输给上位机，实现FPGA和USB芯片之间的交互。数据和命令采用分离传输方式，即数据命令不能在同一时刻传输。上传数据时FPGA选择6端点［5］，通过FLAGB和FLAGC来检测数据端点的空满状态，当端点FIFO 为非空时启动数据传输，为满时暂停数据传输。另一方面，控制命令的传输需要通过端点2实现，主机向端点2发送命令，当FPGA检测到端点2所对应的FIFO非空时即可通过读FIFO 操作接收命令，通过这种方式FPGA能够获取上位机设置的命令参数，之后底层硬件便可以按照上位机的要求进行相应的操作。

3.5 主控状态机

主控模块作为FPGA 内部逻辑的控制核心，负责对上位机指令译码并作出相关操作，同时监测和控制各个子模块的工作状态。

指令的下传主要由上位机经过USB芯片传输到FPGA 的I／O 口上。USB接口程序接收到指令之后，将接收到的指令传给主控模块，在主控模块中对指令进行译码操作。上位机下传给硬件系统的命令包括板卡检测、硬件自检、参数设置、采集开始这4类，每一条指令长度为16位。其中又以参数设置指令最为重要，其包含了通道选择、缓冲区长度设置、外部时钟延时选择、触发模式选择等相关信息。主控模块的工作状态图如图6所示。

图6 主控模块内部状态图

由图6可知，针对上位机不同的指令对应不同的操作，操作完成之后状态机会重新进入到等待命令的状态。

4 系统测试结果

结合CYPRESS公司官方提供的USB接口调试软件Cyconsol EZ-USB来实现发送命令，并接收硬件上传数据。通过软硬件联合调试，搭建实验平台，对本次设计做了功能测试。

利用安捷伦E4430B 信号源产生频率为26KHz、幅度为0dB 的正弦信号，通过ADC500芯片做A／D 转换，采样率为1 MHz，采样得到信号经过差分转换之后接入本数据采集系统，得到的结果如图7所示。可以看到，该数据采集系统能够正确、稳定地采集数据并将数据传输到上位机中，验证了系统的正确性。

结 语

本文从工程应用的角度出发，介绍了基于FPGA、SRAM 和USB的系统构架的数据采集系统。实践证明，该系统能够实现数据稳定有效的采集，具有较高的实用价值，可以适用于多种速度的数据采集需求，具可有扩展性。

图7 测试软件界面图

［1］邵磊，倪明.基于FPGA 的高速数据采集系统设计与实现［J］.计算机工程，2011，27（19）：221-223.

［2］曾一，李鹏，毛乐山.一种USB 接口便携式多模式多通道A／D 数据采集系统［J］.电测与仪表，2008，45（7）：44-46.

［3］Altera Corporation.Cyclone Device Handbook，2008.

［4］Cypress.EZ-USB Technical Reference Manual，2002.

［5］Cypress.Cypress CyAPI Programmer＇s Reference，2011.