基于USB2.0技术的智能超声信号发生器设计

　　智能超声信号发生器的设计分为信号波形数据产生、传输存储和转换输出3个部分。信号波形的产生在PC机上实现,通过编程产生各种所需要的波形,并对信号进行时频分析以及可视化处理。数据传输存储就是将PC机上采用软件产生的数字波形,运用USB2.0技术,选取Cyprss公司的EZUSB FX2系列芯片Cy7C68013,采用FPGA芯片控制产生传输时序逻辑,将数据传输存储到D/A转换控制板的SRAM芯片。信号波形的输出采用FPGA芯片控制12位D/A转换芯片AD568输出模拟量信号,经过集成运放的放大,产生各种高频信号。输出模拟信号的幅度为±5.12V,最高频率为10MHz。

　　1 PC机波形产生部分

　　在PC机上编程产生各种波形,并且将以上所有波形实现可视化;对其作傅里叶变换,得到各种波形的频域特性曲线;根据曲线特征点生成振幅包络线,并将其叠加到频域特性曲线上;叠加后的频域曲线作反傅里叶变换,得到变频、变幅波,并实现其可视化;将以上波形采样后,通过格式变换,转换成为D/A转换器能识别的数据。

　　开发环境为W indows2000,设计开发采用VC++软件编程。根据需求分析,将需求分解为以下几个模块:用户界面模块、波形产生模块、波形显示模块、数据分析模块和外部数据导入模块。用户通过用户界面模块操作整个控制软件;波形产生模块生成所需要的波形,送到数据分析模块分析和波形显示模块显示,外部数据导入模块将示波器采集的数据导入控制软件进行分析和显示。软件模块关系如图1所示。

　　2 基于USB2.0技术实现数据高速传输

　　设计开发中选用Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片Cy7C68013,实现数据通信功能,数据传输速度达到480Mb/s。这种芯片是带智能USB接口的单片机,它将SIE、USB2. 0通信接口协议、可编程外设接口整合到单片机集成电路中。集成的USB收发模块与USB总线的D+和D-引脚相连。功能强大的串行接口引擎(SIE)以硬件的方式实现USB通信接口协议、进行串行数据译码和错误更正,以及其他USB所要求的信号级操作等,最后发送数据字节到USB端口或从USB端口接收数据。它实现的数据传输速度有两种:全速12Mb/s,高速480Mb/s。

　　FX2与外设实现数据通信采用两种传输模式:主机模式、从机模式。

　　2.1 硬件设计

　　采用从机模式,FX2的CPU仅仅用来初始化参与USB传输的各功能寄存器。由FPGA芯片作为控制主体,通过判断FX2片内FIFO数据的存储状态,控制产生读写控制时序信号,完成外部存储芯片SRAM与USB内部FIFO之间的数据传输。硬件原理框图如图2所示。

　　2.2 FPGA芯片内部逻辑

　　FPGA芯片选用Altera公司的FLEX10K系列EPF10K20芯片,该芯片集成可用逻辑门数为2x10⁴门,外部结构为240脚表贴芯片。设计中采用VHDL语言描述和原理图描述两种模式。