DSP核信號采集系統(tǒng)通訊接口原理及設(shè)計

　　數(shù)字信號處理器的發(fā)展也是日新月異，不僅行指令速度越來越快，而且其功耗也越來越低。許多儀器或檢測設(shè)備都不約而同地將DSP 應用到那些數(shù)據(jù)量龐大而且需實時傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。核信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也不例外，利用 DSP 可以實時有效地處理采集的信號，并將處理數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機進行進一步處理。

通常 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下位機與上位機的通訊采用串口方式，這種方式不僅協(xié)議簡單，而且連接方便。 但是這種方式的數(shù)據(jù)傳送速率不高，而USB 總線接口具有方便快捷、支持即插即用、可實 現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊等優(yōu)點,在很多領(lǐng)域得到廣泛應用。USB 總線接口在USB1.1 協(xié)議下傳輸速 率可達12Mbps ,USB2.0 協(xié)議下可達480Mbps ,完全可以滿足目前的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)對于 數(shù)據(jù)實時傳輸速率越來越高的要求。

　　因此在本系統(tǒng)設(shè)計中其通訊方式采用USB（Universal Serial Bus）總線接口方式。 USB 控制芯片采用Cypress 公司EZ-USB SX2 系列的CY7C68001 控制芯片，DSP 選用TI 公司的定點DSP 芯片TMS320VC5502。

　　1．CY7C68001USB 控制芯片介紹

　　CY7C68001 是由美國Cypress 公司開發(fā)的高速USB 芯片，支持USB2.0 協(xié)議。其內(nèi)部 集成有USB 收發(fā)器（物理層）、USB 串行接口引擎SIE（鏈路層，實現(xiàn)底層通信協(xié)議）、4KB的FIFO 以及電壓調(diào)節(jié)器、鎖相環(huán)；可工作于全速（12Mb/s）和高速(480Mb/s)兩種傳輸模式， 支持8 位和16 位數(shù)據(jù)總線方式，具有同步和異步的FIFO 接口。CY7C68001 被用來與DSP、 ASIC、FPGA 等控制器連接實現(xiàn)USB 的功能，其內(nèi)部不含微控制器。同時CY7C68001 提 供4 種傳輸方式（控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸），可滿足用戶對各種傳輸方 式的要求。由于該控制芯片內(nèi)不含微控制器，USB 的應用層協(xié)議應該由DSP 編程實現(xiàn),USB 固件的加載必須靠DSP 控制CY7C68001 完成。

　　2．通訊接口系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　整個采集系統(tǒng)包括的部分有傳感器信號調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、FIFO 數(shù)據(jù)緩沖單元、 DSP 控制器、FLASH 程序存儲單元、CPLD 邏輯控制單元、與上位機連接的USB 通訊單元。 其中與PC 機通訊的USB 單元硬件接口框圖如下圖所示。

　　圖 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PC 機通訊的硬件接口框圖

　　由圖 1 可以看出，通訊部分主要由CY7C68001 USB 控制器、CPLD 邏輯單元、E2PROM、 TMS320VC5502 組成。由于整個系統(tǒng)所需的器件數(shù)目較多，由此帶來的邏輯控制較為復雜， 而DSP 的I/O 接口有限，故在系統(tǒng)中加入了CPLD 邏輯控制單元，用于產(chǎn)生電路中需要的 邏輯狀態(tài)。同時用CPLD 中還實現(xiàn)了寄存器功能，這部分寄存器用于表征USB 通訊時各種 狀態(tài)信息，便于DSP 查詢。

　　CY7C68001 USB 控制器與TMS320VC5502 采用EMIF 連接方式，并將USB 控制器中 的存儲器配置到CE1 空間。同時采用異步讀寫方式完成TMS320VC5502 與CY7C68001之 間的數(shù)據(jù)和命令交換。系統(tǒng)中E2PROM 的作用是完成USB 控制器的描述表自舉。CY7C68001 控制器的自舉方式有兩種：EEPROM 和微控制器，本系統(tǒng)采用EEPROM 方式。

　　3．通訊接口系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 主機端軟件設(shè)計

　　主機端軟件的功能主要是完成下位機上傳數(shù)據(jù)的接收、顯示、分析等。由于信號采集的數(shù)據(jù)量較大，所以在USB 傳輸方式上采用批量傳輸方式。

　　主機端軟件的設(shè)計包含3 個方面：

　?。?）USB 驅(qū)動程序設(shè)計

　　USB 驅(qū)動程序的功能主要是實現(xiàn)USB 發(fā)現(xiàn)、配置、關(guān)閉以及數(shù)據(jù)的傳送接口控制。 USB 設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計是基于WDM (Windows driver model ，驅(qū)動程序模型)的。WDM 采用分層驅(qū)動程序模型，分為較高級的USB 設(shè)備驅(qū)動程序和較低級的USB 函數(shù)層。其中 USB 函數(shù)層由兩部分組成：較高級的通用串行總線模塊(US-BD)和較低級的主控制器驅(qū)動程 序模塊(HCD)。在上述USB 分層模塊中，USB 函數(shù)層由操作系統(tǒng)提供，負責管理USB 設(shè) 備驅(qū)動程序和USB 控制器之間的通信、加載及卸載USB 驅(qū)動程序，與USB 設(shè)備通用端點 建立通信來執(zhí)行設(shè)備配置、數(shù)據(jù)與USB 協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務。

　?。?）安裝USB 的信息文件（.inf）

　　這一步用于將驅(qū)動程序綁定到特定設(shè)備的Verdor ID (VID) 和Product ID( PID)。當USB 設(shè)備插入計算機時，計算機檢測到設(shè)備插入后自動發(fā)出查詢請求；USB 設(shè)備回應該請求， 并送出設(shè)備的VID /PID。計算機根據(jù)這兩個ID 裝載相應設(shè)備驅(qū)動程序，完成枚舉。

（3）用戶應用程序

　　用戶應用程序是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，其主要功能為：開啟或關(guān)閉USB 設(shè)備、檢測USB 設(shè)備、設(shè)置USB 數(shù)據(jù)傳輸管道、設(shè)置A /D 狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實時從USB 接口采集數(shù) 據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。整個應用程序采用Microsoft Visual C++編寫，通過對界面的控制實現(xiàn) A/D 的采樣以及數(shù)據(jù)的顯示。

　　下面列舉一些與應用程序有關(guān)的函數(shù)：

　　BOOLEAN OpenDriver ( ) ；

　　BOOLEAN CloseDriver ( ) ；

　　PVO ID Sx2GetDeviceDesc ( ) ；

　　PVO ID Sx2GetStringDesc ( int stringIndex) ；

　　PVO ID Sx2GetConfigDesc ( ) ；

　　BOOLEAN Sx2GetPipe Info ( PVO ID p Interface) ；

　　BOOLEAN Sx2SendVendorReq ( PVO ID myRequest, char * buffer, int bufferSize, int *

　　recnBytes) ；

　　BOOLEAN Sx2GetPipe Info ( PVO ID p Interface) ；

　　3.2 DSP 軟件程序設(shè)計

　　USB 主機與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸是通過設(shè)備中的端點(Endpoint)進行的。這些端點通過端 點號和輸入輸出方向來進行標識，并為數(shù)據(jù)傳輸分配固定的FIFO 存儲區(qū)。本系統(tǒng)在初始化 時將CY7C68001 的4 個端點配置為批量傳輸類型。其中，F(xiàn)IFO2、FIFO4 為輸出端點，用 于接收上位機傳來的數(shù)據(jù)；FIFO6、FIFO8 為輸入端點，用于存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)。各個FIFO 設(shè)置為異步工作模式。DSP 經(jīng)初始化后打開USB 外部中斷，向CY7C68001 寫入描述符表, 等待其枚舉中斷。枚舉成功后，DSP 對CY7C68001 進行其他配置并清空FIFO，然后等待主 機發(fā)送用戶請求并進行相應處理。軟件程序流程圖如圖2 所示。

　　圖 2 DSP 軟件程序設(shè)計流程圖

　　DSP 軟件程序設(shè)計主要包括DSP 的初始化、USB 描述符表的寫入和其他命令寄存器的 配置以及用戶請求的相應處理。DSP 的初始化主要是初始化時鐘速率、配置EMIF 口、配置 McBSP 口等。USB 描述符表主要是完成USB 芯片內(nèi)部的初始配置，命令寄存器的配置是完 成USB 中斷的開啟、端點數(shù)據(jù)傳輸容量以及方向的配置等。用戶請求是用戶應用程序，根 據(jù)用戶發(fā)送的請求完成相應的數(shù)據(jù)傳輸。

　　4. 結(jié)論

　　本系統(tǒng)采用 USB 接口完成了核信號采集系統(tǒng)與上位機間的數(shù)據(jù)傳輸，上位機的用戶程 序顯示所傳數(shù)據(jù)以及波形圖。經(jīng)驗證表明該方法連接簡單，傳輸可靠。與普通串口相比，其 速度也得到了提升。

　　本文創(chuàng)新點：將傳統(tǒng)的DSP 信號采集系統(tǒng)用于核信號的采集上，并且將與上位機進行通訊 的串行口方式改進為USB 方式，采用這種即插即用的接口不僅方便了與上位機的連接而且 提高了傳輸?shù)乃俾省?/P>