系统硬件设计与上位机软件设计 - 基于CYUSB3014的高速实时数据采集系统

　　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。

　　5 GPIF II接口与FPGA程序设计

　　在整个硬件系统中，FPGA与CYUSB3014之间的数据传输速度是决定整个系统性能的关键。Cypress 在GPIF 的基础上设计 了可编程GPIF-II接口，该接口可工作于主控或从属方式，支持32位数据总线，接口频率最高可达100MHz，有异步和同步两种时序。在本系统中，为了达到更高的数据传送效率，根据GPIF-II接口时序，编写了相应的FPGA程序，实现了在FPGA和CYUSB3014之间的高速数据传输。实测结果表明，FPGA 和CYUSB3014 之间的数据传输速度最高达到了200Mbytes/s，完全满足本系统要求。下文是数据传输状态机的部分代码：

　　6 USB固件设计

　　CYUSB3014集成了一片ARM9核心的处理器，完成USB初始化?枚举?数据传输管理等工作。固件开发使用开源的gcc编译器和Eclipse集成开发环境，下面是用于管理数据传输的部分代码：

　　7 上位机驱动和软件设计

　　Cypress提供了基于WDF的驱动程序模块，WDF（WindowsDriver Foundation）是microsoft推行的驱动开发框架，用来替代之前的WDM框架。WDF框架对WDM进行了封装和继承，与WDM相比，WDF框架的驱动开发更简单方便，尤其是简化了电源管理和PNP（Plug and play）方面的工作量。根据该系统的实际需要，对驱动代码进行了修改并编写了应用程序，能够稳定可靠地采集数据，表明该系统满足了预期的设计要求。

　　8 系统的后续改进

　　在测试测量系统中，很多应用需要系统能够产生预定义的波形，下一步将为该系统添加任意波形发生器功能，进一步完善该系统的功能。

　　9 结语

　　实践证明，USB 3.0在USB 2.0的基础上大大提高了数据传输速率，实时性也有很好的增强，能够满足高速实时数据采集的要求，在数据采集和测试测量领域必将大显身手。