基于FPGA和USB2．0的高速数据采集系统
实现数据采集与传输，可选择如下3种方法：
①使用传统的串／并口。传统的串口(如RS232)，其传输速率为几十kb／s到100 kb／s，而系统所要求的数据传输速率很高，而且还要实现数据的采集与传输同步进行，串口的速率远远达不到实时要求；对于并口，虽然它的传输速率可达到1 Mb／s以上，但由于探测器与主机相距较远，因此走线比较复杂。
②采用通用的高速数据采集卡。高速数据采集卡(如ISA或PCI卡)虽然在数据存取速度上可满足系统要求，但仍然存在很多缺点，比如安装复杂，价格昂贵，兼容性不好，受计算机插槽数量、地址和中断资源的限制，可扩展性较差等。
③使用USB2．0通用串行接口总线。USB接口是一种重要的计算机外设接口，它支持热插拔和即插即用，使用非常方便。USB2．0支持高达480 Mbps的数据传输速率。USB接口可实现计算机与多个外围设备的简单、高速互联，将USB技术应用于数据采集是非常适合的。经综合考虑，本文选择采用USB2．0接口来完成对数据的采集与传输。
1 数据采集和传输系统方案设计
数据采集和传输系统主要由3部分组成，USB2．0通道、FPGA和A／D转换器组成，如图1所示。
CY7C68013是Cypress公司推出的EZ-USB FX2系列智能USB接口芯片。其作用是将主机所发送的命令序列经USB2．0端口输出，实现对数据采集系统的控制；同时把A／D转换器采集的数据以高速的数据序列形式发送到主机。其中，USB2．0端口提供一个能和计算机连接的数据传输接口。
FPGA利用内部的SRAM提供数据输入／输出的双缓冲功能。采用双缓冲的原因同USB中的大端点所配置的双缓冲类似，均是防止数据的溢出和保证数据传输的连续性。本文选用Altera公司的CycIone系列芯片EP1C3T144。
A／D转换器将所要采集的模拟量转换成数字量，通过滤波和放大后，由FPGA接收、缓冲、存储，经USB2．0端口传回至主机工作站。高速A／D转换器采用转换速率为20 MHz的MAX1425。
系统工作过程为：主机通过CY7C68013给数据采集系统一个采样控制命令，存入FPGA的控制寄存器中。FPGA根据该命令向A／D转换器发出相应控制信号。由于ADC采样频率为10 MHz，为和PC运行速度相匹配，在FPGA内部生成一个FIFO缓存器。A／D转换器在FPGA的ADC接口控制电路控制下，把模拟信号转换成数字信号，并将指定通道的采样数据存入FPGA内部FIFO缓存。同时，FPGA的USB接口控制逻辑查询CY7C68013是否空闲，如果空闲，那么由FPGA的USB接口控制逻辑将指定通道的采样结果，从FPGA内部FIFO缓存送入CY7C68013的内部FIFO。当内部的FIFO容量达到一定程度后，CY7C68013自动将数据打包传送到PC机。由于固件程序把CY7C68013设置为特定的自动模式，因此CY7C68013把数据送往PC机期间的所有操作无需CY7C68013中CPU的干预，从而保证足够的数据传输速率。采样过程中FPGA的USB接口控制逻辑依次取走批量数据，在USB接口打包传送时A／D转换持续进行，FPGA内部FIFO也被持续写入转换结果。
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