CN111444131A - 一种基于usb3．0的数据采集及传输装置 - Google Patents

一种基于usb3．0的数据采集及传输装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于USB3.0的数据采集及传输装置，通过USB3.0接口实现数据采集与传输系统和PC机间的通信，使用有限状态机控制采集过程与数据传输。外部输入信号经由信号调理通道送至ADC，经ADC采样后在触发信号控制下将采样信号送至FPGA缓存；若PC机下发读取采样数据指令，指令经USB3.0协议芯片送至FPGA解码，FPGA解码后控制其中缓存的采样数据经由USB3.0协议芯片上传至PC机；因而，能够适应高速数据采集与传输系统小型化、便携式的发展趋势。

Description

一种基于USB3.0的数据采集及传输装置
技术领域
本发明属于通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于USB3.0的数据采集及传输装置。
背景技术
近年来，随着高速数据采集技术的发展，特别是数据采集系统的小型化、便携化的发展趋势使得PC机作为数据采集的系统控制中心具有非常高的必要性。传统的工控机与数据采集及传输系统间的数据传输接口有PCIE和USB2.0两种方式，PCIE通信数据带宽非常高，属内部高速总线，但其功耗较高，不适于便携式仪器；USB2.0接口传输数据带宽较低，不能满足日益增高的数据传输带宽的要求。
以PCIE为例，传统的数据采集及传输系统通过PCIE接口模块与工控机通信，PCIE接口模块包括一块FPGA芯片及存储颗粒；数据采集及传输系统与工控机通信时，首先将采集到的数据存入一个FIFO中，FIFO存满之后发满标志给工控机，工控机再发送读信号给FIFO，之后采样数据从FIFO中读出，随后进入DMA模块，DMA模块后级接存储颗粒与数据打包发送的单元，数据经由上述模块传输至工控机。
PCIE接口通信速率极快，能满足高速数据传输要求；但其接口一般比较固定，不允许随意插拔，且一般会使用多个通道同时传输数据，所以线路较多，不适合便携式设备间通信；而USB3.0接口以其接口的简洁性，支持热插拔，等特点适用于便携式设备间的通信，且其500MB/s的理论传输速率也能满足大多数的数据传输要求。故而采用USB3.0作为通信接口的数据采集系统具有非常重要的意义，也正是下面发明能够克服现有便携式仪器开发问题的解决途径。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于USB3.0的数据采集及传输装置，满足PC机与数据采集系统对数据传输带宽的要求,同时还具有体积小、功耗低、成本低，且传输速度较快的优点。
为实现上述发明目的，本发明一种基于USB3.0的数据采集及传输装置，其特征在于，包括：物理总开关、USB3.0模块、FPGA、ADC和模拟通道；
所述物理总开关用于连接外部电源，并通过物理总开关为装置中各个子模块供电；
所述USB3.0模块采用USB3.0协议芯片，具体包括GPIFⅡ模块和DMA通道模块；GPIFⅡ模块作为从设备接口连接至FPGA，用于FPGA与USB3.0协议芯片间传输数据并受FPGA的控制，DMA通道模块用于缓存FPGA模块与PC机之间传输的数据；
其中，DMA通道模块设置有P_TO_U通道和U_TO_P通道，两通道均设置数个buffer，其中，P_TO_U通道用于缓存FPGA上传至PC机的数据，U_TO_P通道用于缓存PC机下发至FPGA的指令；
GPIFⅡ模块包括两个标志信号flaga、flagc，flaga用于告知FPGA，USB3.0协议芯片的DMA通道模块的U_TO_P通道中是否有数据，flagc用于告知FPGA，USB3.0协议芯片的DMA通道模块的P_TO_U通道是否能够写入数据；
所述FPGA作为装置的控制中心，包括FIFO和指令解码模块；FPGA接收到PC机下发指令后，通过指令解码模块进行解码，然后控制整个装置按照PC机下发指令进行数据采集，并通过FIFO缓存，最后再将缓存的采集数据传输给PC机；
所述ADC对来自信号调理通道的模拟信号采样将其转化为数字信号；
所述模拟通道设置有信号调理通道和触发通道，其中，信号调理通道接收外部输入模拟信号并对其做幅度调整以符合ADC输入要求；触发通道等待FPGA传送指令以产生触发信号，用于控制ADC将采样得到的信号发送至FPGA缓存。
进一步的，本发明还提供该装置进行数据采集及传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、装置上电初始化，初始时刻，有限状态机的类型为复位状态，初始化后进入空闲状态，等待PC机下发初始化配置指令；
(2)、PC机下发初始化配置指令至USB3.0协议芯片buffer中，有限状态机检测到标志信号flaga有效，则有限状态机转为读指令状态，控制USB3.0协议芯片将初始化配置指令发送至FPGA，FPGA随即对接收到的指令解码，控制FPGA、ADC、模拟通道等模块的初始化配置；
(3)、信号调理通道接收外部输入模拟信号并对其做幅度调整以符合ADC输入要求；触发通道等待FPGA传送指令以产生触发信号，触发信号用于控制ADC将采样得到的信号发送至FPGA缓存；ADC对来自信号调理通道的模拟信号采样将其转化为数字信号并等待触发信号有效；有限状态机检测到标志信号flaga无效，则状态机由读指令状态转为读指令结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态，等待PC机再次发送指令；
(4)、PC机下发指令至USB3.0协议芯片buffer中，有限状态机检测到标志信号flaga有效，则有限状态机转为读指令状态，控制USB3.0协议芯片将指令发送至FPGA，FPGA随即对接收到的指令解码；
(5)、FPGA根据解码后的指令，控制装置运行
(5.1)、若指令解码后需装置回传寄存器状态数据，则进入步骤(5.2)，若指令解码后需装置进行数据采集，则进入步骤(5.3)；
(5.2)装置回传寄存器状态数据
(5.2.1)、根据解码指令得到的对应地址寄存器状态数据送至FPGA器件，并产生与数据同步的数据有效信号data_valid，有限状态机检测到数据有效信号data_valid以及标志信号flagc有效，则有限状态机由空闲状态转为数据回写状态，将FPGA中的数据经USB3.0协议芯片上传至PC机；
(5.2.2)、数据有效信号data_valid无效，数据上传完毕，有限状态机由数据回写状态转为写结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态，等待PC机下发指令或FPGA上传数据；
(5.3)、装置进行数据采集
(5.3.1)、FPGA发送指令至触发通道产生触发信号，触发信号控制ADC将采样得到的数字信号发送至FPGA的FIFO中存储；
(5.3.2)、采样数据存储完成，PC机下发读取采样数据指令至USB3.0协议芯片buffer中，有限状态机检测到标志信号flaga有效，则有限状态机转为读指令状态，控制USB3.0协议芯片将指令发送至所述的FPGA中，FPGA随即对接收到的指令解码；
(5.3.3)、PC机指令下发完毕，有限状态机检测到标志信号flaga无效，则有限状态机由读指令状态转为读指令结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后状态机转为空闲状态；
(5.3.4)、FPGA解码指令完毕，产生与采样数据同步的数据有效信号，有限状态机检测到数据有效信号以及标志信号flagc有效，则有限状态机由空闲状态转为数据回写状态，将FPGA模块中的采样数据经由所述的USB3.0协议芯片上传至PC机；
(5.3.5)、数据有效信号data_valid无效，采样数据上传完毕，有限状态机由数据回写状态转为写结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态，等待PC机下发指令或FPGA上传数据；
(6)、当有限状态机检测到标志信号flaga无效，则有限状态机由读指令状态转为读指令结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种基于USB3.0的数据采集及传输装置，通过USB3.0接口实现数据采集与传输系统和PC机间的通信，使用有限状态机控制采集过程与数据传输。外部输入信号经由信号调理通道送至ADC，经ADC采样后在触发信号控制下将采样信号送至FPGA缓存；若PC机下发读取采样数据指令，指令经USB3.0协议芯片送至FPGA解码，FPGA解码后控制其中缓存的采样数据经由USB3.0协议芯片上传至PC机；因而，能够适应高速数据采集与传输系统小型化、便携式的发展趋势。
同时，本发明一种基于USB3.0的数据采集及传输装置还具有以下有益效果：
(1)、PC机与USB3.0协议芯片之间可用过USB3.0接口实现通信，大大降低了装置的功耗与体积，保证信号的实时稳定传输；如此便实现了数据采集传输装置的小型化，易于随身携带；
(2)、通过USB3.0协议芯片进行PC机与FPGA模块间的数据传输，其最高可达5.0Gbps的传输速度可以满足数据采集系统的速度要求；
(3)、本发明采用的通信协议由USB3.0协议芯片完成，仅需在FPGA芯片上编写逻辑以实现控制USB3.0协议芯片的数据传输，降低了开发周期与成本；
(4)、本发明采用硬件编程语言实现用有限状态机控制数据传输流程，使装置稳定性提高，且易于维护和升级。
附图说明
图1是本发明一种基于USB3.0的数据采集及传输装置的具体实施方式架构图；
图2是本发明的一种基于USB3.0的采集过程控制与数据传输流程图；
图3为本发明所述的FPGA与所述的USB协议芯片链接示意图；
图4为本发明所述的状态机状态转移图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种基于USB3.0的数据采集及传输装置的具体实施方式架构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于USB3.0的数据采集及传输装置，包括：物理总开关、USB3.0模块、FPGA、ADC和模拟通道；
物理总开关用于连接外部电源，并通过物理总开关为装置中各个子模块供电；
USB3.0模块采用USB3.0协议芯片，具体包括GPIFⅡ模块和DMA通道模块；GPIFⅡ模块作为从设备接口，并连接至FPGA，用于FPGA与USB3.0协议芯片间传输数据并受FPGA的控制，DMA通道模块用于缓存FPGA模块与PC机之间传输的数据；
其中，DMA通道模块设置有P_TO_U通道和U_TO_P通道，两通道均设置数个buffer，其中，P_TO_U通道用于缓存FPGA上传至PC机的数据，U_TO_P通道用于缓存PC机下发至FPGA的指令；
进一步的，GPIFⅡ模块包括两个标志信号flaga、flagc，flaga用于告知FPGA，USB3.0协议芯片的DMA通道模块的U_TO_P通道中是否有数据，flagc用于告知FPGA，USB3.0协议芯片的DMA通道模块的P_TO_U通道是否能够写入数据；
FPGA作为装置的控制中心，包括FIFO和指令解码模块；FPGA接收到PC机下发指令后，通过指令解码模块进行解码，然后控制整个装置按照PC机下发指令进行数据采集，并通过FIFO缓存，最后再将缓存的采集数据传输给PC机；
所述ADC对来自信号调理通道的模拟信号采样将其转化为数字信号；
所述模拟通道设置有信号调理通道和触发通道，其中，信号调理通道接收外部输入模拟信号并对其做幅度调整以符合ADC输入要求；触发通道等待FPGA传送指令以产生触发信号，用于控制ADC将采样得到的信号发送至FPGA缓存。
下面我们结合图2以及图4，对本发明描述的装置进行数据采集及传输的方法的具体过程进行详细描述，在本发明中使用有限状态机控制采集过程与数据传输，有限状态机的类型包括复位状态，空闲状态，读指令状态，读指令结束状态，数据回写状态，写结束状态，具体包括以下步骤：
S1、装置上电初始化，初始时刻，有限状态机的类型为复位状态，初始化后进入空闲状态，等待PC机下发初始化配置指令；
S2、PC机下发初始化配置指令至USB3.0协议芯片buffer中，有限状态机检测到标志信号flaga有效，则有限状态机转为读指令状态，控制USB3.0协议芯片将初始化配置指令发送至FPGA，FPGA随即对接收到的指令解码，控制FPGA、ADC、模拟通道等模块的初始化配置；
S3、信号调理通道接收外部输入模拟信号并对其做幅度调整以符合ADC输入要求；触发通道等待FPGA传送指令以产生触发信号，触发信号用于控制ADC将采样得到的信号发送至FPGA缓存；ADC对来自信号调理通道的模拟信号采样将其转化为数字信号并等待触发信号有效；有限状态机检测到标志信号flaga无效，则状态机由读指令状态转为读指令结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态，等待PC机再次发送指令；
S4、PC机下发指令至USB3.0协议芯片buffer中，有限状态机检测到标志信号flaga有效，则有限状态机转为读指令状态，控制USB3.0协议芯片将指令发送至FPGA，FPGA随即对接收到的指令解码；
S5、FPGA根据解码后的指令，控制装置运行
S5.1、若指令解码后需装置回传寄存器状态数据，则进入步骤S5.2，若指令解码后需装置进行数据采集，则进入步骤S5.3；
S5.2、装置回传寄存器状态数据
S5.2.1、根据解码指令得到的对应地址寄存器状态数据送至FPGA器件，并产生与数据同步的数据有效信号，有限状态机检测到数据有效信号以及标志信号flagc有效，则有限状态机由空闲状态转为数据回写状态，将FPGA中的数据经USB3.0协议芯片上传至PC机；
S5.2.2、数据有效信号无效，数据上传完毕，有限状态机由数据回写状态转为写结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态，等待PC机下发指令或FPGA上传数据；
S5.3、装置进行数据采集
S5.3.1、FPGA发送指令至触发通道产生触发信号，触发信号控制ADC将采样得到的数字信号发送至FPGA的FIFO中存储；
S5.3.2、采样数据存储完成，PC机下发读取采样数据指令至USB3.0协议芯片buffer中，有限状态机检测到标志信号flaga有效，则有限状态机转为读指令状态，控制USB3.0协议芯片将指令发送至所述的FPGA中，FPGA随即对接收到的指令解码；
S5.3.3、PC机指令下发完毕，有限状态机检测到标志信号flaga无效，则有限状态机由读指令状态转为读指令结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后状态机转为空闲状态；
S5.3.4、FPGA解码指令完毕，产生与采样数据同步的数据有效信号，有限状态机检测到数据有效信号以及标志信号flagc有效，则有限状态机由空闲状态转为数据回写状态，将FPGA模块中的采样数据经由所述的USB3.0协议芯片上传至PC机；
S5.3.5、数据有效信号无效，采样数据上传完毕，有限状态机由数据回写状态转为写结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态，等待PC机下发指令或FPGA上传数据；
S6、当有限状态机检测到标志信号flaga无效，则有限状态机由读指令状态转为读指令结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态。
结合图3对FPGA与USB协议芯片的GPIFⅡ模块间的连接进行详细描述。FPGA与GPIFⅡ模块间连接有32位双向数据线，用于PC机与数据采集与传输系统间各类数据的传输；13位控制线，FPGA作为主控器件以有限状态机控制USB协议芯片；两位地址线，用于FPGA选择USB协议芯片中的两个DMA通道；标志位FLAGA以及FLAGC用于告知FPGA，USB协议芯片中DMA通道的空满状态。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于USB3.0的数据采集及传输装置，其特征在于，包括：物理总开关、USB3.0模块、FPGA、ADC和模拟通道；
所述物理总开关用于连接外部电源，并通过物理总开关为装置中各个子模块供电；
所述USB3.0模块采用USB3.0协议芯片，具体包括GPIFⅡ模块和DMA通道模块；GPIFⅡ模块作为从设备接口接口连接至FPGA，用于FPGA与USB3.0协议芯片间传输数据并受FPGA的控制，DMA通道模块用于缓存FPGA模块与PC机之间传输的数据；
其中，DMA通道模块设置有P_TO_U通道和U_TO_P通道，两通道均设置数个buffer，其中，P_TO_U通道用于缓存FPGA上传至PC机的数据，U_TO_P通道用于缓存PC机下发至FPGA的指令；
GPIFⅡ模块包括两个标志信号flaga、flagc，flaga用于告知FPGA，USB3.0协议芯片的DMA通道模块的U_TO_P通道中是否有数据，flagc用于告知FPGA，USB3.0协议芯片的DMA通道模块的P_TO_U通道是否能够写入数据；
所述FPGA作为装置的控制中心，包括FIFO和指令解码模块；FPGA接收到PC机下发指令后，通过指令解码模块进行解码，然后控制整个装置按照PC机下发指令进行数据采集，并通过FIFO缓存，最后再将缓存的采集数据传输给PC机；
所述ADC对来自信号调理通道的模拟信号采样将其转化为数字信号；
所述模拟通道设置有信号调理通道和触发通道，其中，信号调理通道接收外部输入模拟信号并对其做幅度调整以符合ADC输入要求；触发通道等待FPGA传送指令以产生触发信号，用于控制ADC将采样得到的信号发送至FPGA缓存。
2.一种利用权利要求 1所述装置进行数据采集及传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、装置上电初始化，初始时刻，有限状态机的类型为复位状态，初始化后进入空闲状态，等待PC机下发初始化配置指令；
(2)、PC机下发初始化配置指令至USB3.0协议芯片buffer中，有限状态机检测到标志信号flaga有效，则有限状态机转为读指令状态，控制USB3.0协议芯片将初始化配置指令发送至FPGA，FPGA随即对接收到的指令解码，控制FPGA、ADC、模拟通道等模块的初始化配置；
(3)、信号调理通道接收外部输入模拟信号并对其做幅度调整以符合ADC输入要求；触发通道等待FPGA传送指令以产生触发信号，触发信号用于控制ADC将采样得到的信号发送至FPGA缓存；ADC对来自信号调理通道的模拟信号采样将其转化为数字信号并等待触发信号有效；有限状态机检测到标志信号flaga无效，则状态机由读指令状态转为读指令结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态，等待PC机再次发送指令；
(4)、PC机下发指令至USB3.0协议芯片buffer中，有限状态机检测到标志信号flaga有效，则有限状态机转为读指令状态，控制USB3.0协议芯片将指令发送至FPGA，FPGA随即对接收到的指令解码；
(5)、FPGA根据解码后的指令，控制装置运行
(5.1)、若指令解码后需装置回传寄存器状态数据，则进入步骤(5.2)，若指令解码后需装置进行数据采集，则进入步骤(5.3)；
(5.2)装置回传寄存器状态数据
(5.2.1)、根据解码指令得到的对应地址寄存器状态数据送至FPGA器件，并产生与数据同步的数据有效信号data_valid，有限状态机检测到数据有效信号data_valid以及标志信号flagc有效，则有限状态机由空闲状态转为数据回写状态，将FPGA中的数据经USB3.0协议芯片上传至PC机；
(5.2.2)、数据有效信号data_valid无效，数据上传完毕，有限状态机由数据回写状态转为写结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态，等待PC机下发指令或FPGA上传数据；
(5.3)、装置进行数据采集
(5.3.1)、FPGA发送指令至触发通道产生触发信号，触发信号控制ADC将采样得到的数字信号发送至FPGA的FIFO中存储；
(5.3.2)、采样数据存储完成，PC机下发读取采样数据指令至USB3.0协议芯片buffer中，有限状态机检测到标志信号flaga有效，则有限状态机转为读指令状态，控制USB3.0协议芯片将指令发送至所述的FPGA中，FPGA随即对接收到的指令解码；
(5.3.3)、PC机指令下发完毕，有限状态机检测到标志信号flaga无效，则有限状态机由读指令状态转为读指令结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后状态机转为空闲状态；
(5.3.4)、FPGA解码指令完毕，产生与采样数据同步的数据有效信号，有限状态机检测到数据有效信号以及标志信号flagc有效，则有限状态机由空闲状态转为数据回写状态，将FPGA模块中的采样数据经由所述的USB3.0协议芯片上传至PC机；
(5.3.5)、数据有效信号无效，采样数据上传完毕，有限状态机由数据回写状态转为写结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态，等待PC机下发指令或FPGA上传数据；
(6)、当有限状态机检测到标志信号flaga无效，则有限状态机由读指令状态转为读指令结束状态，控制GPIFⅡ模块读写使能关闭，随后有限状态机转为空闲状态。
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