基于FPGA和USB2.0的多路音频信号采集系统
【摘要】本文介绍了一种基于FPGA与USB2.0的多路音频信号采集系统。采用XILINX公司的FPGA为控制芯片，以USB2.0为接口实现FPGA和PC机之间的高速数据传输。通过软硬件技术的结合实现了对多路音频模拟信号的采集。并介绍了固件(fireware)和USB设备驱动软件的开发。
【关键词】USB；FPGA；音频信号采集
1概述
本文设计了一种多路音频信号采集系统，该系统单位时间内采集的海量数据需要在规定时间内快速传回PC,采用通用串行总线USB2.0接口，它是一种标准的总线接口，有较高的传输速率（USB2.0总线规范理论速率480Mbit/s）,并且具有即插即用和易扩展的特性。
2硬件设计
2.1多路音频信号采集系统结构
多路音频信号采集系统框图如图1所示。系统主要由A/D转换模块、FPGA驱动和控制模块及USB2.0接口传输模块3部分组成。本文拟为16路的模拟音频信号采集方案，因所采用的音频AD芯片PCM3000可对两路模拟音频信号进行模/数转换，故需采用8片PCM3000将16路模拟音频数字化后得到8路速率为2.304Mbit/s的串行数据输出送至FPGA内。在FPGA内经数字复接模块按8：1复接成1路18.432Mbit/s高速数字信号后缓存在XC3S400内部配置的FIFO中。然后判断当FIFO中的数据达到512 B时，向USB2.0控制器中同步写入数据。由于USB设置为AUTO-IN模式，可以直接把FIFO中数据自动传输到PC上位机硬盘文件中，因而可完成音频信号的采集、传输及存储。
2.2USB2.0芯片结构及应用
USB2.0接口芯片选用CYPRESS公司的EZ-USB FX2（CY7C68013 56脚SOPP）。FX2定义了7个端点。其中EP0IN＆OUT、EPlIN、EPlOUT是64byte的端点缓存，只能由FX2的固件访问，支持块、中断和同步传输；EP2、EP4、EP6和EP8是高带宽、大缓冲端点缓冲区，无需固件干涉即可同片外设备进行高带宽数据传输，在高速模式下，EP4、EP8都是512字节的双缓存，而EP2、EP6可以由固件来配置成512或1024字节的多重缓存。
本系统我们配置端点EP2、EP6为slave FIFO模
USB模块主要完成两种功能：（1）通过EZ-USB FX2实现把数据传输到PC机。此时FIFO中的数据先写入EP6。（2）接收来自PC机的命令数据。此时命令数据从PC机通过USB接口传输到EP2，然后读取EP2的数据到FIFO控制单元的命令分析器中。
USB接口控制单元状态机工作如下：
（1）当FPGA上电或者复位后，状态机进入空闲状态（IDEL）。
（2）在空闲状态下，当EP2不空（EP2_EMPTY=0）时，进入读命令状态（READ_COMMAND），此时令EP_ADDR[1：0]=00，FD[15：0]的传输方向由EP2指向FPGA，控制单元从EP2中读出PC机传来的控制命令。
（3）随后进入分析命令状态（ANALYSE_COMMAND），命令包括设置时钟、采样率、开始或停止A/D转换等；
（4）优先处理PC机通过EP2传来的命令，因此优先查看EP2的空状态。在分析命令状态下，当EP2为空（EP2_FF=1）且EP6不满（EP6_ FF=0）时，进入写数据状态（WRITE_DATA）。
（5）随后进入传输数据状态(TRANS_DATA)。如果采集命令一直维持有效（START=’1’）且EP6不满（EP6_FF=‘0’），则又回到写数据状态。如果采集命令无效（START=’0’）则回到IDLE状态。重新枚举、端点配置、控制和监测USB的活动，根据PC主机的命令与外围电路进行数据交换等。Cypress公司为用户提供了一个固件程序框架，是通用性强的模块化程序。在框架的基础上，用户只需要编写Function. C文件即可完成USB功能开发。主要包括：Slave FIFO模式的初始化和用户自定义请求。
驱动程序开发系统包括两个USB驱动程序：一个驱动专用于下载芯片的固件程序ccdloader.sys，另一个通用驱动程序ccdusb.sys用来实现USB设备与应用程序的通信和控制。芯片固件程序在主机上，当系统上电时，前者将其下载到芯片的RAM中，并由增强型8051微处理器执行。当固件下载完成后，模拟一次断开重新连接，此时下载的固件响应USB枚举，并加载USB设备通用驱动程序。USB的驱动程序是WDM类型，可以使用Windows DDK，WinDriver，DriverStudio开发。
应用程序通过USB驱动程序与USB接口进行通信。本设计使用LabVIEW设计应用程序。LabVIEW为用户提供了简单、直观、易学的图形编程法，相比于传统的编程语言，LabVIEW能大量地节省开发时间。用户通过LabVIEW应用程序可以进行对数据采集系统的控制，而且采集到的数据在控制界面中实时显示。
本文介绍了一种较为通用的基于FPGA与USB2.0接口的多路音频信号采集系统的设计方法，通过FPGA软核在数据采集系统中的灵活应用，解决了硬件电路设计繁琐复杂的问题，而且便于开发者对产品进行修改优化，可以大幅度地缩短产品的开发时间。本系统通过了硬软件的联合调试，系统工作正常，稳定性良好。