基于USB2.0的数据采集与信号处理
摘要
在实际雷达项目中，由于功能比较复杂，往往需要事先将数据进行现场采集，而后进行数据处理，这就需要一套比较可靠的数据采集与处理系统。随着对采集速率的要求日益增高，传统的基于PCI等计算机总线的数据采集技术由于系统总线带宽的限制，已经达到了性能的瓶颈。本文讨论了一种基于USB2.0和FPGA的数据采集和信号处理的设计和实现方法。
本数据采集与信号处理系统采用FPGA作为主控制器，通过FPDP接口接收AD变换的数据，并根据需要由FPGA进行必要的数据预处理，然后通过另一个FPDP接口将采集数据送入USB控制板，最后经USB将数据读入计算机存储和处理。论文首先简述了USB协议，包括体系结构、数据流模型、传输类型等；然后给出了基于USB2.0的数据采集与处理系统的设计方案，包括硬件设计和软件设计两部分。在硬件设计部分，先讨论了基于USB2.0接口芯片CY7C68013的USB通信板的硬件设计，然后给出了FPGA板和AD转换器系统的硬件设计方案。在软件设计部分，介绍了FX2的固件框架，详细讨论了USB从属FIFO接口模式的固件设计，然后论述了基于VHDL的FPGA程序设计，接着讨论了主机应用程序的设计和USB驱动程序的使用。最后将系统的软硬件设计相结合，实现了对系统调试与性能测试。
研制开发的数据采集与信号处理系统不仅可以进行AD采集数据、信号产生和信号频谱分析，也还可以对采集数据进行一些数字信号预处理如滤波等。
In practical project of Radar system, we usually need acquire Radar data first and then do the data-processing because of the functional complexity, so we must have a reliable data-acquisition and data-processing system. The traditional data-acquisition and data-processing system which based on the computer's universal bus such as PCI bus can not satisfy the growing speed of data-acquisition because of the limit of the bus's bandwidth. This paper discusses a design scheme and implementation of data-acquisition and data-processing system based on USB2.0 and FPGA.
The data acquisition and signal processing system used FPGA as a host controller, and AD transform data can be received through FPDP interface and then deal with data preprocessing by the FPGA if necessary. Then the data will be sent to the USB board through another FPDP interface, and finally, it will be written into computer for storage and handling through USB board.
This paper, firstly, introduces knowledge about USB protocol, including architectural overview, data flow model, data flow types and so on, and then it describes a design scheme of data-acquisition and data-processing system based on USB2.0 in which there are two parts: hardware design and software design. In the part of hardware, the hardware design of USB communication system based on USB2.0 chip CY7C68013 is discussed and then the hardware design scheme of FPGA and AD is given. In the part of software, the FX2 firmware flow is shown, and the firmware design of USB Slave FIFO is discussed in detail. Then, FPGA program based on VHDL is described. Then, we discussed application design and USB driver use. Finally, combining hardware design and software design, we give the debug strategy and performance test in this system.
The data-acquisition and data-processing system, not only finishes AD data collection, signal generation and spectrum analyzation, but also deals with digital signal preprocessing, for example, filtering and so on.
本数据采集与信号处理系统采用FPGA作为主控制器，通过FPDP接口接收AD变换的数据，并根据需要由FPGA进行必要的数据预处理，然后通过另一个FPDP接口将采集数据送入USB控制板，最后经USB将数据读入计算机存储和处理。论文首先简述了USB协议，包括体系结构、数据流模型、传输类型等；然后给出了基于USB2.0的数据采集与处理系统的设计方案，包括硬件设计和软件设计两部分。在硬件设计部分，先讨论了基于USB2.0接口芯片CY7C68013的USB通信板的硬件设计，然后给出了FPGA板和AD转换器系统的硬件设计方案。在软件设计部分，介绍了FX2的固件框架，详细讨论了USB从属FIFO接口模式的固件设计，然后论述了基于VHDL的FPGA程序设计，接着讨论了主机应用程序的设计和USB驱动程序的使用。最后将系统的软硬件设计相结合，实现了对系统调试与性能测试。
研制开发的数据采集与信号处理系统不仅可以进行AD采集数据、信号产生和信号频谱分析，也还可以对采集数据进行一些数字信号预处理如滤波等。
In practical project of Radar system, we usually need acquire Radar data first and then do the data-processing because of the functional complexity, so we must have a reliable data-acquisition and data-processing system. The traditional data-acquisition and data-processing system which based on the computer's universal bus such as PCI bus can not satisfy the growing speed of data-acquisition because of the limit of the bus's bandwidth. This paper discusses a design scheme and implementation of data-acquisition and data-processing system based on USB2.0 and FPGA.
The data acquisition and signal processing system used FPGA as a host controller, and AD transform data can be received through FPDP interface and then deal with data preprocessing by the FPGA if necessary. Then the data will be sent to the USB board through another FPDP interface, and finally, it will be written into computer for storage and handling through USB board.
This paper, firstly, introduces knowledge about USB protocol, including architectural overview, data flow model, data flow types and so on, and then it describes a design scheme of data-acquisition and data-processing system based on USB2.0 in which there are two parts: hardware design and software design. In the part of hardware, the hardware design of USB communication system based on USB2.0 chip CY7C68013 is discussed and then the hardware design scheme of FPGA and AD is given. In the part of software, the FX2 firmware flow is shown, and the firmware design of USB Slave FIFO is discussed in detail. Then, FPGA program based on VHDL is described. Then, we discussed application design and USB driver use. Finally, combining hardware design and software design, we give the debug strategy and performance test in this system.
The data-acquisition and data-processing system, not only finishes AD data collection, signal generation and spectrum analyzation, but also deals with digital signal preprocessing, for example, filtering and so on.
引文
1．钱峰．EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用，2006．3
2．许永和．EZ-USB FX2系列单片机USB外围设备设计与应用．北京航空航天大学出版社，2002．11
3. XC3S400, DataSheet, XILINX, August 19,2005
4. CYPRESS FX2 Technical Reference Manual.
5. CYPRESS CY7C68013 DataSheet.
6. http://www.cypress.com/美国塞普拉斯公司．
7. http://www.usb.org/USB开发者论坛．
8. Universal Serial Bus Specification, Revision2.0, April 27, 2000
9．周立功．USB2.0与OTG规划及开发指南，2004．9
10．萧世文．USB2.0硬件设计．清华大学出版社，2002．10
11．王成儒，李英伟．USB2.0原理与工程开发．国防工业出版社，2004．1
12．马伟．计算机USB系统原理及其主／从机设计．北京航空航天大学出版社，2004．1
13．尹勇，王洪成．单片机开发环境μ Vision2使用指南及USB固件编程与调试，2004．10
14．胡晓军，张爱成．USB接口开发技术．西安电子科技大学，2005．5
15．张弘．USB接口设计．西安电子科技大学出版社，2002．12
16．徐志军，徐光辉．CPLD／FPGA的开发与应用．电子工业出版社，2002
17．候伯亨，顾新．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路的设计．西安电子科技大学出版社，1999．1
18．王诚 薛小刚 钟信潮．FPGA／CPLD设计工具Xilinx ISE5.x使用详解．北京：人民邮电出版社，2003
19．刘绍汉，杜灶生，刘新民．VHDL芯片设计．清华大学出版社，2004．11
20．Xilinx. The Programmable Logic Data Book, 1996
21．杨志亮．Protel 99 SE电路原理图设计技术．西北工业大学出版社，2002．2
22．清源计算机工作室．Protel99SE原理图与PCB及仿真．北京：机械工业出版社，2004
23．朱明程．FPGA原理及应用设计．电子工业出版社，1994．5
24．徐欣．基于FPGA的嵌入式系统设计．机械工业出版社，2005．1
25．王华等．Visual C++6.0编程实例与技巧．机械工业出版社，1999
26．张岳新．Visual C++6.0程序设计．苏州大学出版社，2002．1
27．王育坚．Visual C++面向对象编程教程．北京：清华大学出版社，2003
28．李奇 田舒．Windows环境下的Visual C++ MFC编程技术与实例．北京：北京大学出版社，1995
29．(美)Charles Petzold．Windows程序设计．北京：北京大学出版社，2004．9
30．(美)Jeff Prosise．MFC Windows程序设计．清华大学出版社，2001
31．谭浩强．C语言程序设计．清华大学出版社，2000．1
32．谢勇．Visual C++6.0实例精通．科学出版社，2000
33．王世同等．Visual C++6.0编程基础．清华大学出版社，1999
34．蔡宝忠，彭吉梅．深入Visual C++编程．中国电力出版社，2000．1
35．许永和．USB外围设备设计与应用．中国电力出版社，2002
36．(美)艾珂尔逊(Jan Axelson)．USB大全．中国电力出版社，2001
37．黄智伟．FPGA系统设计与实践．电子工业出版社，2005
38．余军苗．USB总线体系研究与主从端开发．浙江大学，2003．2
39．李星宇．USB总线接口技术及应用研究．南京航空航天大学，2003．1
40．马鸣锦．USB与基于USB的大容量存储器．解放军信息工程大学，2003．5
2．许永和．EZ-USB FX2系列单片机USB外围设备设计与应用．北京航空航天大学出版社，2002．11
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