USB读数装置及上位机的设计

　　数据采集在信息处理系统中占有不可替代的地位，它是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的，主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等作业，具有很强的实用性。数据采集技术已经在雷达、通信、水声、遥感、语音处理、智能仪器、工业自动化以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用。数据采集器一般包括数据采集部分和数据处理传输部分。前者包括信号的滤波、放大、采样、保持、转换、存储等部分，后者包括数据读取、传输及微机接口部分。

　　1 系统结构及硬件电路设计

　　1.1 系统的结构框图及工作原理

　　本系统主要由四个模块构成：FLASH存储器模块、FPGA控制模块、USB接口控制模块及电源模块。如图1所示。

　　

　　其工作原理是：FLASH模块存储数据，作为记录器的数据源;FPGA模块作为读数装置的控制器，读取FLASH的数据并传输给USB控制接口模块;USB控制芯片接收来自上位机的命令，并与FPGA通信来执行用户需要的操作;电源模块为各模块提供稳定电源。

　　1.2 电源管理模块

　　本系统中芯片的工作电压有5 V、3.3 V、2.5 V。由于计算机的USB接口可以提供5 V电源，最大为500 mA的电流，对于此系统已足够，所以本系统的5 V电源直接由USB供电，并利用5 V电源经过电压调节器AMS1117调整出3.3 V和2.5 V电源。

　　1.3 FPGA模块

　　本设计的FPGA采用XILINX公司的Spartan-2系列的XC2S50，包括FPCA配置电路和FPGA时钟电路及接口配置。

　　FPGA的配置方式灵活多样，本设计根据芯片是否能够自己主动加载配置数据以及比特流的位宽，利用主串模式进行配置FPCA，如图2所示。在FPGA的输出端口上为每个端口连接了一个电阻，起到耦合限流的作用，使外部接口与FPGA进行匹配，防止电流过大等不良影响而烧坏芯片。

　　

　　1.4 USB接口模块

　　一般USB的接口芯片种类大致可分为：主控制器、根集线器、接口芯片以及具有USB接口的微控制器。本设计利用的是EZ-USB FX2LP系列的CY7C68013A-128PIN芯片。

　　本设计采用0XC0的EEPROM启动方式。即在EEPROM中首字节写入0XC0，并将VID、PID、DID和配置字节写入EEPROM。芯片上电后，将这些数据复制到片内存储器，并将其发送给主机，由主机根据ID数据选择合适的固件程序下载到USB芯片内。本设计使用具有I2C总线接口的串行EEPROM芯片AT24C64。AT24C64具有8192 x 8位容量，可重复擦除100万次。

　　1.5 FLASH存储器模块

　　FLASH存储器存储着记录器的数据，本设计的目的就是从FLASH中读取数据并传入计算机进行保存。本设计采用SAMSUNG公司的K9F5608UO D NAND FLASH存储器。其特点如下：存储单元阵列为(32M+1024k)bit×8bit;总共64k的块，每块含32页，每页为512+16字节;以页为单位编程(200μs典型编程时间)，以块为单位擦除(2ms典型擦除时间);命令、地址、数据复用端口;提供硬件数据保护功能。

　　本设计的硬件连接电路如图3所示。其中MAX1658为K9F5608UOD提供电源，排阻起到耦合限流作用。