FPGA基于USB3.0的实时数据采集系统软件设计(2)

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1引言·1

1.1背景及意义1

1.1.1USB的发展历程1

1.1.2多种高速接口的比较3

1.2国内外研究的现状·3

1.3本设计的主要任务·4

2USB3.0的概述·5

2.1USB3.0的接口协议·5

2.1.1物理层5

2.1.2链路层6

2.1.3协议层7

2.2USB3.0的数据传输协议·7

2.2.1块传输协议7

2.2.2中断传输协议·10

2.2.3同步传输协议·11

2.2.4控制传输协议·12

3设计的硬件框架·12

3.1设计框图·13

3.1.1Virtex6系列的FPGA芯片·13

3.1.2CYUSB3014的芯片·15

3.1.3ADS4249芯片的数据采集·16

3.1.4EEPROM的配置·17

3.2CYUSB3014芯片的SLAVEFIFO模式·18

3.2.1下位机的GPIFⅡ接口·19

3.2.2上位机的DMA通道20

3.2.3SLAVEFIFO模式下的读写21

4子模块的设计与验证·25

4.1AD采集模块的设计·25

4.2AD采集模块的验证及分析27

4.3USB3.0模块的设计·28

4.4USB3.0模块的验证及分析32

5系统的集成34

5.1块传输下的数据流模式·34

5.1.1接口电路的设计34

5.1.2分析及验证35

5.2块传输下的数据包模式·37

5.2.1接口电路的设计38

5.2.2分析及验证39

5.3数据传输速率的分析42

5.4工作中的不足与进一步优化·43

结论44

致谢45

参考文献·46
1 引言
1.1 背景及意义在科学技术与电子信息系统迅猛发展的今天，数据的采集与传输系统已经应用在各种各样的设备和产品中，正如大家所熟知的音频采集系统、雷达系统的海量数据传输系统和遥测遥感需要大的数据传输速率等系统，这些系统都需要保证数据在传输过程中的稳定性与准确度，以便为后续的数字处理阶段做铺垫。与此同时，就面临着如何去设计一个这样高速而且有效的数据传输系统，高速的数据传输系统主要包括激励发送、数据采集与快速传输三个方面，激励发送这一方面可以负责信号的发送，数据采集主要对信号进行高速实时的采样，最后在经过快速传输协议将数据发送到信号处理端。从以上就可以看出一个高速的数据传输系统必须具备两个特点，首先必须具有灵活的数据接口以便于可以进行广泛地应用，其次需要高的数据传输速率来满足高速通信时的数据吞吐率。目前所知道的许多高速传输系统大部分都是以 PCI 的数据接口或是 USB2.0 的数据接口为主的。PCI 的数据接口传输速率大但却易用性不强，而 USB2.0 的数据接口被局限在了480Mbps 的带宽[3]，近几年所推出的 USB3.0 的数据接口易用性强、数据吞吐率又高，可谓是解决以上两个矛盾的最佳“替代品”，必将在未来的市场上有较好的发展前景。 USB3.0的接口技术是在 PCI数据协议上做了进一步改进，高速传输特性更好，更适合于长线传输。主要不同之处表现在：（1） USB3.0 的系统采用的是串行式的接口，它可以从接收到的数据信息中恢复出时钟信号，不像 PCI 接口数据的发送和接收端都必须采用相同的参考时钟；（2） USB3.0 使用了低频周期信号的旁频带信号，用途广泛，如睡眠模式的返回和复位等；
（3） USB3.0 内部带有均衡器，可用于补偿信号在线路传输过程中所带来的畸变以及损耗。本次设计的主要意义也在于 USB3.0 更高的传输性能从而让其提供了更快的数据转换能力，尤其在数据量特别大的时候，也可实现数据的高速传输，极大地提高了数据在传输过程中的带宽，减少占用 FPGA和计算机的时间。另外USB3.0 接口技术的传输稳定性能也较高，对需要 PC 机和外设进行高速数据通信的电路设计具有一定的参考价值。