通用串行總線（USB）支持熱插撥，真正的即插即用。USB1.1在全速傳輸時可以達到12Mbps的傳輸速率；低速傳輸時傳輸速率可達1.5Mbps。USB電纜線只有4根，兩根是電源線，傳送5V電源，可用來向設備供電；另外兩根是信號線，用來傳輸串行數據。與傳統的RS－232串口比較，USB具有傳輸速度更快、集成化程度更高、編程化更好以及能夠支持多個設備等優點。因此在我們的設計中用它來和主機接口實現高速的數據通信。

在數據采集系統中，通常采用單片機或DSP(數字信號處理器)作為CPU,控制ADC（模/數轉換器）、存儲器和其他外圍電路的工作。但是單片機的時鐘頻率較低，難以適應高速數據采集系統的要求，而DSP雖然可以實現較高速的數據采集，但其速度提高的同時也提高了系統的成本。FPGA（現場可編程門陣列）有單片機和DSP無法比擬的優勢：時鐘頻率高，內部時延小；全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。因此，在本系統中我們用FPGA來控制A/D和USB芯片的運行。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

圖中FPGA采用ALTERA公司生產的APEX 1k系列芯片，型號為EP1K30，通過在EPGA中編寫硬件邏輯控制A/D轉換器的運行；實現A/D轉換器和USB 控制芯片間數據傳輸的數據總線接口。除此之外，為了保證EPGA和USB控制芯片間數據交互過程的實現，必須在FPGA中提供一個用于傳輸通信雙方控制和狀態信息的GPIO接口。

2 A/D轉換環節

在該系統中我們采用TI公司的ADS7800。它是12位并行模數轉換器[2>，接口簡單，很容易控制，最大采樣率可達333kHz，輸入的電壓范圍為－10V～＋10V或－5V～＋5V。ADS7800芯片的數字接口比較簡單，可以很方便地與其它數字系統相連接。對此芯片地控制有完全控制模式（full control mode ）和孤立控制磨蝕（stand-alone control mode ）兩種控制方法。

在本系統中，對ADS7800芯片的控制是通過在FPGA芯片中編寫控制邏輯來實現的。我們采用了孤立控制模式，在此控制模式下，輸出數字信號是12位并行的。

利用FPGA芯片的可編程性可以使用芯片中的12個IO腳作為數據總線，另使用一些IO腳作為ADS7800的控制信號輸入，控制模/數變換器以32kHz的速率對模擬輸入信號進行采樣，采樣的數據存入FPGA的RAM中。本系統中所使用的FPGA芯片型號為EP1K30QC208-3，它具有著良好的特性，芯片內部共有3萬個邏輯門，容量相當大；6個嵌入式陣列塊，可是現最大為3k字節的RAM存儲器。

3 系統的設計與實現

3.1 USB接口芯片介紹

在設計中，我們選取Cyprees公司的EZ-USB系列芯片來實現USB接口設備方的控制。它是一款帶有多個外設、高度集成的芯片，其功能框圖如圖2所示。一個集成的USB收發器（transceiver）連接USB總線的D＋和D－。串行接口引擎（SIE）對總線上的數據進行編/解碼、錯誤檢測、位填充以及USB規范規定的其它信號級操作的實現，并且最終把數據收或發到USB接口部分。

圖2 EZ-USB系統框圖

內部的微處理器是8051單片機的增強型，提高了執行速度并增加了一些新的特性。它使用內部RAM作為程序和數據存儲器；帶有16位地址線和8位數據線用來訪問外部存儲器，特有的快速傳輸模式可以在外部邏輯和內部USB FIFO間快速地傳遞數據。

3.2 USB總線數據通信解決方案

在實現數據通信解決方案時，為完成數據流地正常傳輸，所建立的硬件平臺必須能夠提供兩個接口。首先必須要有一個實現數據傳輸的數據總線接口；除此之外，為了保證數據交互過程的正常實現，必須提供一個用于傳輸通信雙方控制和狀態信息的GPIO接口。

AN2135SC芯片提供了EZ-USB系列芯片的所有接口和功能。在本系統中，我們將利用這款芯片和FPGA芯片配合工作，建立一個基于USB總線接口的數據通信解決方案，以實現將采樣信號輸出到上位機中的功能。

在此解決方案中，我們選擇AN2135SC芯片工作在快速數據傳輸模式下的8位并行數據總線D[7…0>作為數據傳輸的總線接口；選擇AN2135SC芯片中的通用 C總線主控制器接口作為數據通信過程中進行控制和狀態信息傳輸的GPIO接口。這樣，芯片中的一般GPIO引腳就可以用來實現其它功能，方便了系統的進一步擴充。圖3所示為AN2135SC芯片與FPGA芯片的接口示意圖。

為了使AN2135SC芯片中快速數據傳輸模式下的數據總線D[7…0>和通用 主控制器分別完成流數據傳輸和控制狀態信息傳輸的功能，需要在芯片的8051核中編寫程序，對AN2135SC芯片內部相關的專用寄存器進行配置[3>。