一种高速实时数据采集系统的设计方案

　　0 引言

　　目前USB 已广泛应用于数据采集系统，现阶段使用较多的是USB 2.0 规范。随着测试测量要求的不断提高，USB 2.0 已逐渐难以满足要求。新的USB3.0 规范很好的解决了USB 2.0 中存在的一些局限，非常适用于现代测试测量系统。

　　1 USB 2.0 的性能与局限

　　通用串行总线USB（Universal Serial Bus）是目前应用极为广泛的一种系统总线，大量应用在测试测量领域。目前应用最广泛的是USB2.0 标准，具有最高480Mbps 的通信速率。但同时USB2.0 标准也存在着以下不足：

　　1） 半双工通信

　　USB2.0 采用半双工通信，同一时间只能有一个方向的数据传输，在需要双向高速数据传输的场合往往难以满足要求。

　　2） 需要主机调度

　　USB2.0 标准在传输调度上采用主从结构，需要计算机首先发起IN Token 或OUT Token，USB 设备才能进行数据传输，一次数据传输完成后，又必须等待下一个Token，大大制约了数据传输的实时性。

　　3） 通信速率相比于竞争对手不高

　　USB 的竞争对手有1394 和eSATA 等，较新的1394b 标准数据传输速度达到了800Mbps，几乎比USB2.0 HS 高一倍。而eSATA的数据传输速度更高。

　　2 USB 3.0 SS（SuperSpeed）标准简介

　　为了加强USB 的性能和竞争力，USB 联盟推出了新的USB 3.0SS（SuperSpeed）标准。该标准使用两条差分链路实现了全双工通讯，速率达到了5.0Gps，不但高于1394b 标准，与eSATA 相比也同样具有竞争力。

　　USB3.0 在2.0 的基础上新增加了2 对差分链路，专门用于传送SS 差分信号。主机侧接口的机械特性和USB 2.0 兼容，而设备侧使用了新的接口形式，以容纳新增的两对差分信号线。USB2.0 接口的B 型连接器可以插入USB 3.0 的设备端，此时设备工作于USB 2.0 模式下；但USB 3.0 的B 型连接器无法插入USB 2.0的设备端。

　　除此以外，USB 3.0 的总线供电能力达到1A，使其可以用于移动硬盘等耗电量较大的设备，而不必另外配备外接电源。

　　3 CYUSB3014 芯片介绍

　　CYUSB3014 是USB 业界的领头羊Cypress 公司出品的USB3.0 控制器，该款控制器集成了200MHz 的ARM9 控制器、512K 字节的RAM和USB 3.0物理层，具有可编程的100MHz GPIF II接口。

　　图1 是该芯片的逻辑框图。该芯片可用于数字摄像机、数据采集、测试测量设备等多个领域。

　　

　　4 系统硬件设计

　　本系统中，使用了一片AD6644 作数据转换。这是AnalogDevice 公司生产的14 位高速ADC，最高采样速率达到40Msps.

　　整个系统的功能框图如图2 所示。

　　

　　图中，传感器将外部信号变换为电信号；放大滤波部分将传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波处理，以去除外部干扰；AD6644 在FPGA 的控制下对放大滤波后的信号进行采集和转换；FPGA 读取AD 输出，并按照CYUSB3014 的GPIF II 接口规范将该数据写入芯片内部的FIFO.此外，FPGA 还可以根据当前信号特性调整放大滤波电路参数，以获取更优的信噪比。