一種高速實時數據采集系統的設計方案

　　0 引言

　　目前USB 已廣泛應用于數據采集系統，現階段使用較多的是USB 2.0 規范。隨著測試測量要求的不斷提高，USB 2.0 已逐漸難以滿足要求。新的USB3.0 規范很好的解決了USB 2.0 中存在的一些局限，非常適用于現代測試測量系統。

　　1 USB 2.0 的性能與局限

　　通用串行總線USB（Universal Serial Bus）是目前應用極為廣泛的一種系統總線，大量應用在測試測量領域。目前應用最廣泛的是USB2.0 標準，具有最高480Mbps 的通信速率。但同時USB2.0 標準也存在著以下不足：

　　1） 半雙工通信

　　USB2.0 采用半雙工通信，同一時間只能有一個方向的數據傳輸，在需要雙向高速數據傳輸的場合往往難以滿足要求。

　　2） 需要主機調度

　　USB2.0 標準在傳輸調度上采用主從結構，需要計算機首先發起IN Token 或OUT Token，USB 設備才能進行數據傳輸，一次數據傳輸完成后，又必須等待下一個Token，大大制約了數據傳輸的實時性。

　　3） 通信速率相比于競爭對手不高

　　USB 的競爭對手有1394 和eSATA 等，較新的1394b 標準數據傳輸速度達到了800Mbps，幾乎比USB2.0 HS 高一倍。而eSATA的數據傳輸速度更高。

　　2 USB 3.0 SS（SuperSpeed）標準簡介

　　為了加強USB 的性能和競爭力，USB 聯盟推出了新的USB 3.0SS（SuperSpeed）標準。該標準使用兩條差分鏈路實現了全雙工通訊，速率達到了5.0Gps，不但高于1394b 標準，與eSATA 相比也同樣具有競爭力。

　　USB3.0 在2.0 的基礎上新增加了2 對差分鏈路，專門用于傳送SS 差分信號。主機側接口的機械特性和USB 2.0 兼容，而設備側使用了新的接口形式，以容納新增的兩對差分信號線。USB2.0 接口的B 型連接器可以插入USB 3.0 的設備端，此時設備工作于USB 2.0 模式下；但USB 3.0 的B 型連接器無法插入USB 2.0的設備端。

　　除此以外，USB 3.0 的總線供電能力達到1A，使其可以用于移動硬盤等耗電量較大的設備，而不必另外配備外接電源。

　　3 CYUSB3014 芯片介紹

　　CYUSB3014 是USB 業界的領頭羊Cypress 公司出品的USB3.0 控制器，該款控制器集成了200MHz 的ARM9 控制器、512K 字節的RAM和USB 3.0物理層，具有可編程的100MHz GPIF II接口。

　　圖1 是該芯片的邏輯框圖。該芯片可用于數字攝像機、數據采集、測試測量設備等多個領域。

　　4 系統硬件設計

　　本系統中，使用了一片AD6644 作數據轉換。這是AnalogDevice 公司生產的14 位高速ADC，最高采樣速率達到40Msps.

　　整個系統的功能框圖如圖2 所示。

　　圖中，傳感器將外部信號變換為電信號；放大濾波部分將傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波處理，以去除外部干擾；AD6644 在FPGA 的控制下對放大濾波后的信號進行采集和轉換；FPGA 讀取AD 輸出，并按照CYUSB3014 的GPIF II 接口規范將該數據寫入芯片內部的FIFO.此外，FPGA 還可以根據當前信號特性調整放大濾波電路參數，以獲取更優的信噪比。