[实用新型]一种USB接口实时数据采集控制器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于石油测井仪器测试的USB接口实时数据采集控制器。

背景技术

USB(Universal Serial Bus)是一种通用串行总线，作为计算机外设的一种通用接口，其中USB2.0最高传输速度达480Mbps，支持热插拔，可以支持双向、同步传输，能够保证某些需要连续数据流的设备的需要，性价比高，硬件的结构相对简单，外围设备接口设计容易，PC机都支持USB总线，因此它有着其他串口不具有的优势，在现代外部设备数据采集存储器与PC机之间高速数据传输方面有着极其广泛的应用。

在石油测井地面仪测试领域，常规的RS232、RS485、CAN等串行通讯接口也有越来越多的应用到控制计算机(上位机)与外部石油测井仪器测试采集系统之间的命令、数据的实时传输通讯。对于串口和采集的数据采集控制与存储器之间(数据流)接口控制，传统做法是使用独立的CPU芯片，结合独立RAM(双口)及其它数字电路接口来实现，串口与下位CPU之间的接口协议(通讯协议)的制定和解释就必须由下位机(CPU)来承担，同时下位CPU还必须兼顾对两边数据存储交换和下部采集等任务的控制，这样会造成下位CPU的工作量剧增和任务的时间上的冲突。不利于上位计算机与测井仪器采集控制测试系统之间状态和海量数据的高速传输和实时命令的执行，会造成接口体积大、接线复杂和可靠性下降的问题。

USB2.0C是一个嵌入式模块，它隐藏了通过USB总线进行数据传输所需的繁琐技术细节，应用程序通过调用模块提供的函数，可以把相应的功能转变成模块硬件接口上的一系列脉冲和电平发送到外围逻辑进行指定的数据传输从而极大地简化USB设备和接口的设计工作模块提供两种数据传输模式：地址IO模式和批量数据传输模式。USB2.0C控制模块发挥了USB2.0高速数据传输的特点尤其适合于高速数据采集及图像数据传输设备，适用于常规石油测井仪器测试系统现场领域的数据采集。

其次，Altera公司的FPGA上嵌入Nios软核处理器的出现，也为解决前述问题提供了新的途径。它是一种可特许的以IP核的方式将它提供给设计者的通用RISC CPU，它可以与各种各样的外设、定制指令和硬件加速单元相结合，构成一个定制的SOPC。嵌入式USB接口实时数据采集控制器就是嵌入式技术与串口总线技术结合的产物。

在FPGA中使用软核CPU比硬核CPU的优势在于，后者实现没有灵活性，通常无法使用最新的技术。随着系统日益先进，基于标准处理器的方案会被淘汰，而基于Nios II处理器的方案是基于HDL源码构建的，能够修改以满足新系统的需求，避免了被淘汰的命运。将处理器实现为HDL的IP核，开发者能够完全定制CPU和外设，获得适合需求的处理器。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种USB接口实时数据采集控制器，它结合FPGA，和嵌入式NIOS软核处理器技术，达到采集系统和计算机之间数据传输速度，降低硬件复杂度提高集成度和可靠性。

本实用新型所述的USB接口实时数据采集控制器是由一个嵌入式处理器FPGA芯片和一个嵌入式USB2.0C控制模块构成；嵌入式处理器FPGA芯片包括：一个嵌入NIOSIP核16位CPU，一个USB端口数据交换控制器和协议命令解释器，数据交换双口RAM存储器，主节点采集控制器，连接测井仪器的遥测TCC接口模块、DTB总线接口模块和CAN总线接口模块，嵌入NIOSIP核16位CPU通过主节点采集控制器与数据交换双口RAM存储器连接，数据交换双口RAM存储器同时与USB端口数据交换控制器和协议命令解释器连接，USB端口数据交换控制器和协议命令解释器与嵌入式USB2.0C控制模块连接，嵌入NIOSIP核16位CPU通过主节点采集控制器连接测井仪器的遥测TCC接口模块、DTB总线接口模块和CAN总线接口模块。

嵌入式USB2.0C控制模块是主机与井下仪器采集控制通讯模块之间的数据通讯的桥梁，它是一个专用嵌入式模块，结合集成于FPGA上的“USB端口数据交换控制器和协议命令解释器”来实现基于USB通讯协议的主计算机与TCC、DTB、CAN数据采集控制器、CPU之间的数据交换。它的每个数据包大小是512字节(USB2.0协议下)。它使用主控模式即地址I/O模式对下部初始化、设置采样参数、读取状态等功能。使用从属模式的(被动)即批量数据传输模式读取采样得到的大批量数据到上位计算机。