基于FPGA的干涉型光纤水听器系统中FPGA与上位机通信设计

I摘要干涉型光纤水听器作为一种新型的传感器系统，具有灵敏度高，抗电磁干扰与信号串扰能力强，耐高温，抗腐蚀的特点，被广泛应用于信号的实时采样设计中。本设计的主要目的就是将FPGA中的来自光纤干涉水听器系统的数据实时传输给上位机。随着电子工业的发展，USB数据传输技术得到了普遍应用，其具有高速，高可靠性，和高度通用的特点。能够满足高速数据采样系统中数据实时传输的要求，经过与其他传输技术的比较，本方案采用基于FPGA的USB数据传输设计。设计主要从USB传输技术方案，通信协议以及驱动的一些基本知识入手,使用CY7C68013A传输控制芯片和EP2C8Q208C8FPGA芯片完成了方案的详细设计。在Altera的FPGA的设计环境QuartusII下，使用VHDL语言完成了FPGA内部USB接口控制程序的编写和接口控制器的时序功能仿真。结合干涉型水听器的数据传输要求，编写数据产生模块结合USB接口控制程序完成模拟数据传输的时序功能仿真。结合实际修改CY7C68013的USB传输固件，结合开发板的调试软件，完成了模拟数据传输的硬件验证。关键词：FPGAVHDLUSB通信光纤干涉水听器II业设计外文摘要TitleTransmissiondesignbetweenFPGAandhostPCinfiberoptichydrophoneAbstractFiberoptichydrophoneasanewtypeofsensorhasaqualityofhighsensitivity.Itcanbeusedinthefieldwithelectromagneticinterference,hightemperatureorhighcorrosion.Soitiswidelyusedinthedesignofrealtimesamplingsystem.ThemainpurposeofthisdesignistotransmitthedatainFPGAwhichisfromfiberoptichydrophonesystemtothehostpcinrealtime.Alongwiththedevelopmentoftheelectronicindustry,USBdatatransmissiontechnologyiswidelyusedwiththecharacterofhighspeed,highreliabilityanduniversalproperty.Soitmeetsthedemandofthehighspeeddatatransmissioninrealtimesystem.ComparedwithothertechnologyIchoicetheUSBdatatransmissionbasedonFPGAdesign.ThisdesignmainlyfromtheFPGAandUSBtypeselection,theFPGAdesignprocess,USB2.0communicationprotocolandsomebasicknowledgeofdriver.ThenaccordinglymakethedetaileddesignschemewiththeUSBcontrollerchipCY7C68013AandtheFPGAchipEP2C8Q208C8.UsetheVHDLlanguageandcompletetheprogramofFPGAinternalUSBinterfacecontrollerwithtimingfunctionsimulationinthedesignenvironmentunderQuartusII.Tomeetwiththedatatransmissionrequest,thencompetethedatageneratingmoduleprogramwhichcombinedwiththeUSBinterfacecontrollerprogramtocompletethedatatransmissiontimingfunctionsimulation.ModifytheCY7C68013USBtransmissionfirmwarecombinedwiththeactual.Finallycompetethedatatransmissionhardwareverificationusingthedemoboardandthetestprogram.KeywordsFPGAVHDLUSBtransmissionFiberoptichydrophoneIII目次1设计需求分析..............................................................................................................12方案设计......................................................................................................................32.1传输方案的选择........................................................................................................32.2USB总体传输方案设计...........................................................................................42.3USB接口控制器设计...............................................................................................62.4模拟数据传输电路设计..........................................................................................102.5USB控制器CY7C68013固件及上位机驱动设计..............................................113电路时序功能仿真及硬件验证.................................................................................123.1USB接口控制器时序功能仿真.............................................................................123.2模拟数据传输电路时序功能仿真..........................................................................143.3模拟数据传输的硬件验证......................................................................................15结论...............................................................................................................................19致谢...............................................................................................................................20参考文献.....................................................................................................................21附录1USB接口控制器VHDL代码..........................................................................22附录2数据加法器ADDERVHDL代码....................................................................24附录3ROMVHDL代码..............................................................................................25附录4PLLVHDL代码................................................................................................2711设计需求分析本设计为工程项目“基于FPGA的干涉型光纤水听器多路数据采集系统”的数据传送部分。该项目主要用于完成对于爆炸冲击波的8路数据采样处理和传送。对爆炸冲击波的测量具有时间短数据量大工作环境恶劣的特点，因而项目采用能够适应高速数据采集要求的光纤传感器。当的冲击波发生时，光纤水听器接收到声波，引起光纤传感器几何尺寸的改变，从而引起折射率的变化，导致光程的改变。通过与未产生形变的相同光纤中同源光的干涉比较，产生可测量的信息。由于光纤型水听器采用光学原理，其灵敏度很高，动态范围可达120-140dB。同时由于光学设备本身就具有极强的抗电磁干扰，耐腐蚀的特点，因而光纤干涉水听器采样系统具有很高的可靠性。采集系统将带有PGC解调的光纤水听器的信号进行模数转换。根据A/D转换芯片的要求在FPGA芯片中编写VHDL程序，实现对采集的数据进行实时采样的驱动电路，并利用FPGA内部丰富的存储资源实现对高速采样数据的缓存。在FPGA中采集和处理的数据应能实时传送给上位机用于完成对于测量数据的分析、储存、显示。高速采样系统采集到的数据缓存在FPGA中的FIFO（先进先出队列）中，在FIFO中的数据和上位计算机之间需要建立一种可靠、高速的数据通信方式，从而将FIFO中的数据实时的传输给上位机，这就是是本设计所要研究和实现的重点。2电源双通道AD转换器双通道AD转换器双通道AD转换器双通道AD转换器FIFO读写控制模块AD转换控制模块并置模块并置模块并置模块并置模块FIFO缓存1FIFO缓存2FIFO缓存3FIFO缓存4锁相环PLL模块光电转换器光电转换器光电转换器光电转换器四选一模块USB接口控制器输出控制时钟外部时钟USB芯片CY7C68013上位机FPGA芯片EP2C8Q208C8八路光纤干涉水听器传感器八路冲击波数据图1.1基于FPGA的干涉型光纤水听器多路数据采集系统整体框图本设计需要完成以下工作：（1）在FPGA芯片和上位计算机之间建立一种可靠、高速的数据传输方式；（2）提高分析问题解决问题的能力，本设计使用从未学过的CY7C68013芯片，需要通过查阅资料，自学掌握其特性，编写FPGA内部的相应时序控制电路。通过本设计参与到实际工程项目中，提升对系统工程的认识。（3）本设计涉及到USB上位机驱动的相关知识，需要对基于windows系统的USB驱动有一定的了解；本毕业设计的编程使用VHDL和C语言，需对VHDL和C语言进行深入学习研究；本毕业设计用到EDA开发环境QuartusII8.0,需要对该软件配置下载部分进行学习。32方案设计2.1传输方案的选择计算机的发展到今天，接口技术也逐渐丰富成熟。根据目前通用计算机主板常见的接口类型，FPGA