usb和fpga的数据采集系统(附件)【字数：8374】
摘 要在科学技术快速发展的同时，人们对数据采集系统的精度，速度以及实时性也有了更高的要求。本次设计主要采用Cypress公司生产的EZ-USB FX系列中的CY7C68013A芯片，通过对CY7C68013A芯片的相关处理使其能够与FPGA实现接口传输实验，提高计算机与外设FPGA的高速数据传输。利用USB 2.0 CY7C68013A，可大幅度的提高与FPGA进行数据通信的速度，同时可以减少FPGA运行时占用计算机的时间，特别是在遇到要求传输的数据量比较大，速度要求快，精度要求准确，实时性要求高的情况下，本设计将有极大的体现。此外本设计也考虑到现在社会上越来越多的外设需要具有USB这种传输数据量大、速度要求快，精度要求准确，实时性要求高的情况下设计的，同时对于研究计算机和外设进行高速数据通信的电路设计提供一定的参考价值和帮助。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景与意义 1
1.2 FPGA的发展状况 1
第二章 整体设计 3
第三章 硬件设计 4
3.1主控制器的设计 4
3.2电源模块 4
3.3拨码开关电路 5
3.4按键电路 6
3.5IO扩展电路 6
3.6USB传输模块 7
3.6.1CY7C68013A通信时序 7
3.6.2CY7C68013A FIFO异步读 8
3.6.3CY7C68013A FIFO异步写 8
3.6.48051 9
3.6.5I2C总线 9
3.7与FPGA的接口模块 9
3.8CY7C68013A接口模块 10
第四章 软件设计 12
4.1软件设计平台 12
4.2USB芯片内部固件 12
4.2.1CY7C68013A的驱动安装 12
4.2.2CY7C68013A的固件设计 13
4.3FPGA程序设计 15
第五章 测试与总结 16
5.1BASYS 3 ARTIX7 FPGA 开发板 16
5.2下载与实验 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
17
结束语 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
第一章 绪论
1.1课题研究的背景与意义
在科学技术飞速发展的同时，对数据采集的高精度，高速度和高实时性无论在现代工业控制还是在科学研究中都已成为人们必须面对的新问题。同时，由于数字技术的快速发展，带来微电子技术和集成电路技术的提高，使得微型计算机得到广泛应用，为了能够高速度，高精度和高实时性的实现数据传输，高速数据采集系统将会迫切被人类所需求。在处理信号、图像、音频等一些高速度、高精度的数据时都需要拥有高性能的数据采集系统。就目前而言我国的高速数据采集技术是相当落后的，这是我国科学技术想要更深层次发展的一个绊脚石，因此研究和发展高速数据采集系统无论在对与我国的军用领域还是在民用领域都具有重要的意义和广阔的应用前景。
在高速数据采集领域中，如果还是使用传统的外设与主机的通信接口相连接是很难满足以上要求的。在本次的设计中选用Cypress公司生产的CY7C68013A芯片。使用USB2.0 CY7C68013A芯片可以实现高速度，高精度，高实时性，易扩展，即插即用的特点，可以实现高速数据采集。在传统的数据采集中，通常使用数据采集卡，就目前的数据采集卡而言，普遍使用PCI、ISA接口，这些接口不仅价格高而且安装也存在麻烦，最重要的是受计算机插槽数量，地址中断资源的限制，扩展性差。但是使用USB2.0 CY7C68013A作为一种新的串口通信技术，不仅传输速率快，扩展性高，而且采用总线供电，与计算机对接方便快捷，成功解决传统遗留的问题。
1.2 FPGA的发展状况
可编程逻辑器件是指通过软件程序来更改配置器件内部的逻辑单元和连接结构，使其能够完成实现设计者需要的功能数字集成电路。当前社会上主流的可编程逻辑器件主要分为以下3大类，分别是简单逻辑阵列（PAL/GAL）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程逻辑阵列（FPGA）。
可编程逻辑器件早期的时候只有以下这3种，分别是可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM）。在1980年，美国半导体公司Altera和赛灵思先后分别推出他们公司的最新创作PAL结构的扩展型CPLD和标准门阵列类似的FPGA，两种体系结构都具备以下特点逻辑单元灵活、集成度高以及适应范围宽。
赛灵思的FPGA(Field ProgRAMmable Gate Array，现在可编程门阵列)是将PAL、GAL、CPLD等几种可编程器件进行进一步的集成而发展起来的高性能的可编程逻辑器件。FPGA它是一种半定制电路型的新型专用集成电路（ASIC），他的出现不仅解决了电路方面的不足，而且克服了传统可编程器件门电路门数有限的问题。FPGA可以根据Verilog编写的程序来对电路进行设计，然后经过合理的综合分析与器件布局，最后就可以快速地将程序烧录至FPGA板中上进行调试与测试。在现代的FPGA通常采用的是SRAM工艺，也有少数采用Flash工艺和反熔丝(AntiFuse)工艺。FPGA拥有极高的集成度，内部器件的密度可从数万门到上千万门不等，同时也可以拥有复杂的组合与时序逻辑电路功能，能够用于高精准、高速度、高密度的精密数字逻辑电路设计当中。FPGA的内部基本组成部分有以下几个单元，分别是可编程输入输出单元、、内嵌专用硬核（Hard Core）、嵌入式RAM、丰富的布线资源、基本可编程单元、底层嵌入功能单元等。在现代社会中FPGA器件的主要供应商有以下这几个公司Altera、Xilinx、LattiCe、ACtelLuCent等。本次设计选用的是Xilinx家的Artix7?FPGA。
第二章 整体设计
本次设计的主要目的是实现高速数据传输与采集，我选择是由美国赛普拉斯公司（Cypress）生产的USB2.0 CY7C68013A芯片来作为数据传输环节的重要组成部分。在本设计中USB2.0系统模块是一个主从的系统模块，并不是传统的对等系统模块。在我所设计的这个主从系统模块，所有命令都是由外设计算机（即上位机）发出，只有当我们的从设备收到相应的命令信号后，才会去执行相应的操作，同样，也只有当主设备要读取数据时，我们的从设备才会将数据上传到计算机中，这时候计算机在对返回来的数据进行判断、显示、处理或者绘制相应的图表。数据采集系统原理框图如下图21所示：
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第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景与意义 1
1.2 FPGA的发展状况 1
第二章 整体设计 3
第三章 硬件设计 4
3.1主控制器的设计 4
3.2电源模块 4
3.3拨码开关电路 5
3.4按键电路 6
3.5IO扩展电路 6
3.6USB传输模块 7
3.6.1CY7C68013A通信时序 7
3.6.2CY7C68013A FIFO异步读 8
3.6.3CY7C68013A FIFO异步写 8
3.6.48051 9
3.6.5I2C总线 9
3.7与FPGA的接口模块 9
3.8CY7C68013A接口模块 10
第四章 软件设计 12
4.1软件设计平台 12
4.2USB芯片内部固件 12
4.2.1CY7C68013A的驱动安装 12
4.2.2CY7C68013A的固件设计 13
4.3FPGA程序设计 15
第五章 测试与总结 16
5.1BASYS 3 ARTIX7 FPGA 开发板 16
5.2下载与实验 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
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结束语 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
第一章 绪论
1.1课题研究的背景与意义
在科学技术飞速发展的同时，对数据采集的高精度，高速度和高实时性无论在现代工业控制还是在科学研究中都已成为人们必须面对的新问题。同时，由于数字技术的快速发展，带来微电子技术和集成电路技术的提高，使得微型计算机得到广泛应用，为了能够高速度，高精度和高实时性的实现数据传输，高速数据采集系统将会迫切被人类所需求。在处理信号、图像、音频等一些高速度、高精度的数据时都需要拥有高性能的数据采集系统。就目前而言我国的高速数据采集技术是相当落后的，这是我国科学技术想要更深层次发展的一个绊脚石，因此研究和发展高速数据采集系统无论在对与我国的军用领域还是在民用领域都具有重要的意义和广阔的应用前景。
在高速数据采集领域中，如果还是使用传统的外设与主机的通信接口相连接是很难满足以上要求的。在本次的设计中选用Cypress公司生产的CY7C68013A芯片。使用USB2.0 CY7C68013A芯片可以实现高速度，高精度，高实时性，易扩展，即插即用的特点，可以实现高速数据采集。在传统的数据采集中，通常使用数据采集卡，就目前的数据采集卡而言，普遍使用PCI、ISA接口，这些接口不仅价格高而且安装也存在麻烦，最重要的是受计算机插槽数量，地址中断资源的限制，扩展性差。但是使用USB2.0 CY7C68013A作为一种新的串口通信技术，不仅传输速率快，扩展性高，而且采用总线供电，与计算机对接方便快捷，成功解决传统遗留的问题。
1.2 FPGA的发展状况
可编程逻辑器件是指通过软件程序来更改配置器件内部的逻辑单元和连接结构，使其能够完成实现设计者需要的功能数字集成电路。当前社会上主流的可编程逻辑器件主要分为以下3大类，分别是简单逻辑阵列（PAL/GAL）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程逻辑阵列（FPGA）。
可编程逻辑器件早期的时候只有以下这3种，分别是可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM）。在1980年，美国半导体公司Altera和赛灵思先后分别推出他们公司的最新创作PAL结构的扩展型CPLD和标准门阵列类似的FPGA，两种体系结构都具备以下特点逻辑单元灵活、集成度高以及适应范围宽。
赛灵思的FPGA(Field ProgRAMmable Gate Array，现在可编程门阵列)是将PAL、GAL、CPLD等几种可编程器件进行进一步的集成而发展起来的高性能的可编程逻辑器件。FPGA它是一种半定制电路型的新型专用集成电路（ASIC），他的出现不仅解决了电路方面的不足，而且克服了传统可编程器件门电路门数有限的问题。FPGA可以根据Verilog编写的程序来对电路进行设计，然后经过合理的综合分析与器件布局，最后就可以快速地将程序烧录至FPGA板中上进行调试与测试。在现代的FPGA通常采用的是SRAM工艺，也有少数采用Flash工艺和反熔丝(AntiFuse)工艺。FPGA拥有极高的集成度，内部器件的密度可从数万门到上千万门不等，同时也可以拥有复杂的组合与时序逻辑电路功能，能够用于高精准、高速度、高密度的精密数字逻辑电路设计当中。FPGA的内部基本组成部分有以下几个单元，分别是可编程输入输出单元、、内嵌专用硬核（Hard Core）、嵌入式RAM、丰富的布线资源、基本可编程单元、底层嵌入功能单元等。在现代社会中FPGA器件的主要供应商有以下这几个公司Altera、Xilinx、LattiCe、ACtelLuCent等。本次设计选用的是Xilinx家的Artix7?FPGA。
第二章 整体设计
本次设计的主要目的是实现高速数据传输与采集，我选择是由美国赛普拉斯公司（Cypress）生产的USB2.0 CY7C68013A芯片来作为数据传输环节的重要组成部分。在本设计中USB2.0系统模块是一个主从的系统模块，并不是传统的对等系统模块。在我所设计的这个主从系统模块，所有命令都是由外设计算机（即上位机）发出，只有当我们的从设备收到相应的命令信号后，才会去执行相应的操作，同样，也只有当主设备要读取数据时，我们的从设备才会将数据上传到计算机中，这时候计算机在对返回来的数据进行判断、显示、处理或者绘制相应的图表。数据采集系统原理框图如下图21所示：
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