【ACX720】AD9226采集DDR3存储USB2.0数据传输例程使用说明

商震

ACX720开发板USB2.0接口数据采集例程使用说明

数据采集概述

在计算机广泛应用的今天，数据采集在多个领域有着十分重要的应用。

数据采集是计算机与外部物理世界连接的桥梁，通过数据采集工作，自然界的许多模拟量信息能够借助计算机进行保存，分析，还原等操作。技术实践中，我们只需要制订上位机(PC)与移动数据采集器的通信协议,就可以实现两者之间阻塞式通信交互过程。

数据采集系统往往由传感器、模拟多路开关、放大器，采样保持器、AD转换器、计算机及外设等组成。

在农业、工业、日常生活和航空航天等领域，尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的自然环境中，数据采集有其应用的必要性。比如说:在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常有利用PC或工控机配合末端传感器对诸如液位、温度、压力、频率等参数进行实时监控和记录的需求，这些环境往往有时候并不适合人类直接作业，或者即使人类进行直接作业，也无法达到和计算机自动采集分析处理某一个任务的实施效果。再比如说：在航天航空领域，卫星数据采集系统利用航天遥测、遥控、遥监等技术，对航天器远地点进行各种监测，并根据需求进行自动采集，经过卫星传输到数据中心处理后，送给用户使用。

谈到数据采集，不得不说说数据转换器。现在常用的数据转换方式是通过数据采集板卡进行，常用的有如A/D卡以及422、485等总线板卡。

前面们提到，数据采集在技术实践中，需要对通信协议进行选取。目前计算机通信比较典型的协议包括串口通信，USB接口通信，以太网通信等。本工程就是采用的USB接口方式进行通信。选取USB通信的最突出优势在于通信速度高，采样数据上传快。

实验平台

ACX720型FPGA开发板，板载USB2.0接口物理层芯片，GPIO0接口。

双通道ADC数据采集ACM9226模块

支持USB2.0接口，操作系统为vista，win7，win8或win10的PC机。

实验过程

整个实验过程文档主要包含以下几个重点：

·Vivado和cypress工作环境的搭建

·发码参数指令设置

·典型使用流程及注意要点

·接收到数据的简易评定分析

Vivado和cypress工作环境的搭建

Vivado下载环境搭建，详细内容可以参考小梅哥xilinx FPGA自学教程第一章相关内容。简单概况为：软件解压，设置安装组件，设置非中文安装路径，安装，破解。

ACX720开发板完成USB采样的连线方法：

如选用我司ACM9226数据采集卡，将其接于开发板GPIO0接口，另一端模拟量输入端口接到幅值不大于5V的信号源即可。

USB通信线连接到PC机，直接USB连线即可，无需任何端口号或接口号设置。但首次使用时，需在设备管理器中安装驱动程序。其方法为：

使用USB线连接开发板USB接口和电脑的USB接口，此时，系统右下角应该会弹出发现新硬件，并且驱动安装失败，如下图所示：

查看设备管理器中，应该能看到如下所示的一个未知设备：

我们选中该设备，点击鼠标右键，即可查看其详细信息：

在详细信息这一栏我，我们在属性的下拉表中选择“硬件ID”，可以看到，其值为USB\VID_040B&PID_8613，这就是我们的USB2.0模块的硬件ID。

在属性选项卡中，切换到驱动程序选项卡，选择“更新驱动程序，如下图所示：

在弹出的界面中，选择”浏览计算机以查找驱动程序软件“，路径定位到我们提供的USB开发包的驱动程序安装路径下，然后点击确定，如下图所示：

接着点击下一步，就会开始驱动的安装，安装完成后，弹出如下所示的界面，表明驱动安装完成，点击关闭按钮完成安装。

接着我们回到设备管理器中，在通用串行总线控制器下，可以看到如下所示的设备，且无叹号提示异常，则表明驱动程序安装正确。

在常用软件文件夹里面的FX2 USB 相关里面， “PC上位机”文件夹中包含了一个名为CyControl.exe的软件和CyUSB.dll的动态链接库，如下图所示。这个CyControl.exe就是ControlCenter软件，我们直接使用这个软件，就可以完成FX2芯片的固件烧写和基本的数据传输测试。

双击CyConsole.exe打开软件，如果已经使用USB线连接开发板USB接口和电脑的USB接口，则会显示出一个名为CypressFX2LP No EEPROM Device的设备，如下图所示。

鼠标选中该设备，点击Program -> FX2 -> 64KBEEPROM如下图所示。

选择64KB EEPROM之后，就会弹出一个选择文件的对话框，在该对话框中，定位路径到工程文件包路径下，烧写slave_for_adc.iic文件到USB芯片的EEPROM中。下次FX2接入电脑，或者按下开发板背面的USB-RST按键，FX2就会自动从EEPROM中读取程序并加载到芯片的RAM中运行，可以实现掉电不丢失，如下图所示。

这样，我们就完成了开发板上USB芯片的程序固件烧录工作。

发码参数指令设置

我们的发码参数指令，共分为三个类别。

1、   设置采样通道：如55 A5 01 00 00 00 00 F0，其中55A5是起始码，紧接的01是指令类别为采样通道，紧接的00 00 00 00是设置采样通道，这里目前只设置了3种情况，00 00 00 00设置的是默认的FPGA计数器，0000 00 01设置的是ADC通道1，00 00 00 02设置的是ADC通道2。

2、   设置采样数量：如55 A5 02 00 00 02 00 F0，其中55A5是起始码，紧接的02是指令类别为采样数量，紧接的00 00 02 00是设置的采样数量512，F0是终止码，中间若干位设置采样数量。

3、   启动指令：如55 A5 00 00 00 00 00 F0，其中55 A5 是起始码，紧接的00是指令类别为启动，最后的F0是终止码。剩余的4个8位数可以为任意数，推荐默认为全0，即0000 00 00。

指令可以逐条发送，也可以组合发送，组合发送的时候，启动指令必须写在最后。

比如：发送：

55 A5 01 00 00 00 00 F0 55 A5 02 00 00 01 00 F0 55 A5 00 00 00 00 00 F0

表示使用FPGA内部计数器生成数据，采样256个16bit的点，开始执行。

再如：

55 A5 01 00 00 00 01 F0 55 A5 02 00 00 02 00 F0 55 A5 00 00 00 00 00 F0

表示使用通道1进行采样生成数据，采样512个16bit的点，开始执行。

典型使用流程及注意要点：使用cypress上位机的操作流程

前面讲解了软件环境的搭建，硬件电路的连接和指令码的含义，下面将演示一次完整的使用cypress软的的操作流程，同时指出使用注意事项。

步1：按照前述内容，安装好vivado软件，解压、编译工程，打开上位机工具。

步2：按照前述内容，连接好硬件资源。这里我们以信号发生器第一通道输出数据，ACM9226模块第一通道采样为例，进行设置和连接。比如，我们设置信号发生器的发生频率为1M，准备采样256个16bit数据。

步3：开发板上电，烧写FPGA程序

确认bit文件就是我们需要烧写的程序后，开始program。完成后开发板内我们的程序将会开始运行。下图为程序烧写正确后，开发板现象，下方的led灯亮两个，表明锁相环和DDR初始化正常。

步4：双击打开上位机软件，如果USB连接正常并且软件按前叙步骤正确安装驱动，则可以看到列表框有FX3芯片或者FX2芯片被识别。确认固件已经正确烧写后，找到bulkout endpoint（0x02），输入指令串。比如按前述：我们使用通道1，采样256个16bit数据，我们可以设置指令串为：

55 A5 01 00 00 00 01 F0 55 A5 02 00 00 01 00 F0 55 A5 00 00 00 00 00 F0

切换到bulk in endpoint，确认PktMode被勾选，同时按照自己的采样设置需求，设定接收数据量。完成设定后，点击TransferFile-IN，就可以接收到需要采样的数据。

这里，有几点需要再次强调，

上位机接收数据前，一定确认pktmode勾选。

采样数量必须为256个16bit数的整数倍，即接收的bytes to transfer，一定是512个8bit数据的整数倍。如果操作失误要求读数据的数量大于指令码设置的写入数据故障，会出现输出框为997的故障码。这时候建议将开发板复位，fx2芯片复位以杜绝上次不正常读写的数据残留。开发板复位，按下S4按钮即可，fx2芯片复位，在背面按下USB-RST按钮。

如果是逐条发送指令，则必须确保启动指令在设置通道和设置采样数量指令之后，否则一旦发送采样启动指令，通道和采样数量设置将不会生效。

目前最大采样数量经过测试支持128M的16bit数，即参数设置为55 A5 02 08 00 00 00 F0。此时cypress软件最大读出量streamin为268435456的8bit数。（最大读出量stream in读出时，cypress软件必须勾选PktMode，且读出时间较长，不稳定。建议分批次读出，每次streamin读出小于等于16777216个数）

使用XLH_USB上位机的操作流程

如果使用XLH_USB上位机软件，则要简单很多，可以无需设置发码指令，只需要在软件界面中填好采集信息即可。

初次使用，有可能需要进行扫描设备操作。

采样通道CH0为FPGA内部计数器生成的数据，采样通道CH1和CH2就是我们使用9226的外部数据采样通道。

采样得到的数据，默认保存在d盘根目录下方。

采样数量可以设置最大为128M。如果采样数量设置过大，则有可能会占用较长的采样时间，具体可参考USB通信协议数据传输速率。

设定好以后，可以点击“开始采样”。

完成后点击“停止采样”，就可以得到采样数据的bin文件。

接收到数据的简易评定分析

确认电脑已安装好常规版本的matlab（安装文件请自行准备）后，点击提供的ADCdata_to_wave_v2_2.m文件，

，检查是否打开后有如下界面出现：

确认需要打印的文件路径正确，然后点击运行，即可生成数据分析波形：

bin文件保存的数据分析

为了证明我们的工程在不同设置状态下工作的可靠性，我们给出一些bin文件实验数据结论的波形进行对照参考。

上述两幅波形图展示的是200kHz状态下不同采样数据量的波形图。

第一幅图是200k的信号发生频率，采样256个16bit点，即从cypress读出512个8bit数据的采样数据分析效果图。

指令是：55 A5 01 00 00 0001 F0 55 A5 02 00 00 01 00 F0 55 A5 00 00 00 00 00 F0

    第二幅图是200k的信号发生频率，采样2048个16bit点，即从cypress读出4096个8bit数据的采样数据分析效果图。

指令是：55 A5 01 00 00 0001 F0 55 A5 02 00 00 08 00 F0 55 A5 00 00 00 00 00 F0

    上述两幅波形图展示的是1Mhz状态下不同采样数据量的波形图。

第一幅图是1Mhz的信号发生频率，采样256个16bit点，即从cypress读出512个8bit数据的采样数据分析效果图。

指令是：55 A5 01 00 00 0001 F0 55 A5 02 00 00 01 00 F0 55 A5 00 00 00 00 00 F0

    第二幅图是1Mhz的信号发生频率，采样2048个16bit点，即从cypress读出4096个8bit数据的采样数据分析效果图。

指令是：55 A5 01 00 00 0001 F0 55 A5 02 00 00 08 00 F0 55 A5 00 00 00 00 00 F0

     上述四幅波形图展示的是1Mhz状态下不同电压幅值的波形绘制效果图。

第一幅图是1Mhz的信号发生频率，采样256个16bit点，即从cypress读出512个8bit数据的采样数据分析效果图。

指令是：55 A5 01 00 00 0001 F0 55 A5 02 00 00 01 00 F0 55 A5 00 00 00 00 00 F0

    第二幅图是1Mhz的信号发生频率，采样256个16bit点，即从cypress读出512个8bit数据的采样数据分析效果图。

指令是：55 A5 01 00 00 00 01F0 55 A5 02 00 00 08 00 F0 55 A5 00 00 00 00 00 F0

这样，我们的数据采集工程正确性就能得到验证。