基于DSP的USB口數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)設(shè)計
隨著DSP芯片功能越來越強(qiáng),速度越來越快,性價比的不斷提高以及開發(fā)工具的日趨完善,廣泛用于通信、雷達(dá)、聲納、遙感、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、控制、精密機(jī)械、語音和圖像處理等領(lǐng)域。作為計算機(jī)接口之一的USB（Universal Serial Bus）口具有勢插拔、速度快（包括低、中、高模式）和外設(shè)容量大（理論上可掛接127個設(shè)備）的特性,使其成為PC機(jī)的外圍設(shè)備擴(kuò)展中應(yīng)用日益廣泛的接口標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于DSP的USB口數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),該系統(tǒng)的DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和運算處理,處理結(jié)果通過USB口送計算機(jī)顯示分析,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該結(jié)構(gòu)圖中,CPLD和FPGA實現(xiàn)模塊接口,包括串并轉(zhuǎn)換、8位和32位數(shù)據(jù)總線間的轉(zhuǎn)換、SRAM等功能。采樣結(jié)果經(jīng)過CPLD送至DSP運算處理（FFT變換、相關(guān)分析、功率譜分析等）后,由FPGA和USB接口送至主控計算機(jī)存儲和顯示。計算機(jī)應(yīng)用程序易于實現(xiàn)豐富的圖形界面,具有良好的人機(jī)接口。
1 模數(shù)模塊
本系統(tǒng)主要用于振動信號和噪聲分析,要求采樣精度高,采樣頻率不超過100kHz。根據(jù)要求選用CRYSTAL公司的CS5396。該芯片原本用于立體聲采樣,基于∑-Δ結(jié)構(gòu),采樣精度高,24位分辨率,120dB的動態(tài)范圍;采樣頻率32kHz、44.1kHz、48kHz、96kHz可選;內(nèi)部集成采樣保持器、模擬低通濾波器、數(shù)字濾波器,同時還具有時采樣功能;兩路同時采樣,串行輸出,串行數(shù)據(jù)由CPLD轉(zhuǎn)換成24位并行數(shù)據(jù);由于該芯片量程是4V,差分輸入,所以模擬部分只需再加上簡單量程放大電路即可。這樣模擬電路十分簡單,抗干擾能力強(qiáng)、精度高。
2 DSP處理器
N點復(fù)數(shù)FFT變換約做2N×Log2N次實數(shù)乘法運算和3N×Log2N實時加法運算。TMS320VC33的乘法、加法都是單周期指令,取N=1024,不計內(nèi)存訪問和其它時間,則一次FFT所需時間為：10×5120×17ns約0.9ms。而按96KSPS的采樣頻率計算,1024點的采樣時間約10ms,可見該DSP速度足以滿足要求。
該DSP啟動模式可選,上電后執(zhí)行駐留在低地址空間的BOOTLOADER;然后根據(jù)4個中斷輸入信號的狀態(tài)判斷啟動模式,可以從RAM、ROM或串行口啟動。本系統(tǒng)選擇串行口方式。這樣,DSP程序可以直接從PC下載送至DSP接口,做到在系統(tǒng)調(diào)試,具有極大的靈活性。
3 USB接口
由于USB協(xié)議非常復(fù)雜,開發(fā)者不可能在底層基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。目前,市場上對USB協(xié)議進(jìn)行封裝的接口芯片,如：National Semiconductor公司的USBN9602、Plilips公司的PDIUSBD12等。本系統(tǒng)選用CYPRESS公司的帶單片機(jī)內(nèi)核的EZ-USB系列的AN2131QC.該芯片遵從USB1.0規(guī)范（12Mbps）,將8051單片機(jī)內(nèi)核、智能USB接口引擎、USB收發(fā)模塊、存儲器、串行口等集成一起,從而減少芯片接口時序。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2（虛線內(nèi)是芯片部分）。
EZ-USB的8051代碼（Firmware）可以固化在ROM內(nèi);更好的方案是通過USB口從主機(jī)下載到內(nèi)部RAM,這樣,易于修改、調(diào)試和更新。之所以能下載代碼是因為芯片一上電完全在硬件上自動完成枚舉過程,不需要Firmware。完成枚舉后便可作為一個USB設(shè)備（叫做缺省USB設(shè)備）與計算機(jī)通訊,此時即可進(jìn)行Firmware下載。下載完后,8051內(nèi)核脫離RESET狀態(tài)開始執(zhí)行代碼?？梢酝ㄟ^Firmware對USB設(shè)備重新配置,這個重新配置過程叫做再枚舉。
在EZ-USB中,缺省USB設(shè)備的接口中包括14個Endpoints,如表1所示。
表1 缺省USB端點（Endpoint）
計算機(jī)與USB設(shè)備的數(shù)據(jù)通信主要包括兩個方面：一是讀取采樣數(shù)據(jù);二是給USB設(shè)備發(fā)送控制命令。發(fā)送控制命令先發(fā)送一個命令包（消息）,然后根據(jù)情況發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)或從設(shè)備讀取響應(yīng)數(shù)據(jù)。因此,根據(jù)EZ-USB芯片的功能,直接使用缺省配置中的6個Endpoint。
Endpoit OUT2 BULK：用來發(fā)送控制命令包。
Endpoint IN2 BULK：接收從USB設(shè)備發(fā)來的DSP消息。
Endpoint IN4 BULK：用來從USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù),如讀取采樣數(shù)據(jù)、配置參數(shù)等。
Endpoint OUT4 BULK：用來向USB設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù),如下載8051程序、下載FPGA程序等。
Endpoint OUT6 BULK：作輔助判斷用,當(dāng)PC傳送完大量數(shù)據(jù)至USB設(shè)備時,向該端口寫任意數(shù)據(jù)以起到通知USB設(shè)備的作用。
Endpoint IN1 INT：用來從USB設(shè)備讀取響應(yīng)信號,如下載FPGA程序是否成功的標(biāo)志等。
在缺省配置基礎(chǔ)上可以編寫適合需要的代碼,如果對8051編程經(jīng)驗豐的話,完全可以在不需要調(diào)試工具的情況下編寫Firmware。
本系統(tǒng)Firmware結(jié)構(gòu)建立在對消息隊列不斷服務(wù)基礎(chǔ)上,即構(gòu)建一個消息隊列,當(dāng)接收到任何一方（DSP或計算機(jī)）的消息時,將其放入消息隊列。消息的接收是通過中斷服務(wù)程序來實現(xiàn)的。當(dāng)處理完一個消息時,從消息隊列取出下一個消息進(jìn)行處理。這種軟件結(jié)構(gòu)非常簡單,思路清晰,對調(diào)試十分有利。
USB設(shè)備驅(qū)動程序基于WDM。WDM型驅(qū)動程序是內(nèi)核程序,與標(biāo)準(zhǔn)的Win32用戶態(tài)程序不同。采用了分層處理的方法。通過它,用戶不需要直接與硬件打它道（在USB驅(qū)動程序中尤為明顯）,只需通過下層驅(qū)動程序提供的接口號訪問硬件。因此,USB設(shè)備驅(qū)動程序不必具體對硬件編程,所有的USB命令、讀寫操作通過總線驅(qū)動程序轉(zhuǎn)給USB設(shè)備。但是,USB設(shè)備驅(qū)動程序必須定義與外部設(shè)備的通訊接口和通訊的數(shù)據(jù)格式,也必須定義與應(yīng)用程序的接口。
本系統(tǒng)的驅(qū)動程序是在Compuware Numega Driver-Works的基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο笳Z言C++開發(fā)的。Driver-Works可以很快構(gòu)造出驅(qū)動程序的框架。主要構(gòu)造了兩個類：Class USBDAC和class USBDACDevice。Class USBDAC繼承了class Kdriver,負(fù)責(zé)裝載驅(qū)動程序和創(chuàng)建功能設(shè)備對象時要做的一些操作。Class USBDACDevice繼承了class KpnpDevice,是驅(qū)動程序的主要部分,負(fù)責(zé)設(shè)備啟動、停止的操作以及與設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。API函數(shù)調(diào)用和CreateFile ()、ReadFile ()、WriteFile ()、DeviceIO-Control ()、CloseFile（）等的實現(xiàn)也在class USBDACDevice中完成。
Class USBDAC的定義如下：
class USBDAC : public Kdriver
{
SAFE_DESTRUCTORS
public：
/*Driver Entry (),
在系統(tǒng)引導(dǎo)或I/O管理器裝入驅(qū)動程序時,調(diào)用這個例程。執(zhí)行大量的初始化函數(shù),包括建立到其它驅(qū)動程序的指針、查找和定位由驅(qū)動程序使用的任何硬件資源等,不過,這部分工作大多由基類Kdriver完成。*/
virtual NTSTATUS DriverEntry(PUNICODE_STRING RegistryPath);
/*AddDevice(),創(chuàng)建一個Device對象。調(diào)用其構(gòu)造函數(shù)對設(shè)備初始化,創(chuàng)建設(shè)備的名稱等。*/
virtual NTSTATUS AddDevice(PDEVICE_OBJECT Pdo);
Int m_Unit;
};
Class USBDACDevice的定義如下：
Class USBDACDevice : public KpnpDevice
{
// Constructors
public:
SAFE_DESTRUCTORS
USBDACDevice(PDEVICE_OBJECT Pdo,ULONG Unit);
～USBDACDevice ();
// Member Functions
public:
…
//添加自己的成員函數(shù)
NTSTATUS USBDAC_GetACK(int &);
NTSTATUS USBDAC_StartADConversion(void);
NTSTATUS USBDAC_StopADConversion(void);
NTSTATUS USBDAC_DownloadFPGA(KIrp);
NTSTATUS USBDAC_Download8051(KIrp);
NTSTATUS USBDAC_SetChannelParameter（PUCHAR,ULONG,int）;
…
};
4 FPGA
FPGA模塊主要實現(xiàn)單片機(jī)與DSP間的數(shù)據(jù)緩沖、8位數(shù)據(jù)線與32位數(shù)據(jù)線間的轉(zhuǎn)換、單片機(jī)同步串口和DSP緩沖串口的切換。要求FPGA能實現(xiàn)豐富的內(nèi)部RAM和準(zhǔn)確的時鐘控制。根據(jù)需要選用XILINX公司的XCV50TQ144。該器件采用SRAM 查找表結(jié)構(gòu),具有系統(tǒng)內(nèi)可再編程（ISP）和運行間可再配置等特性。系統(tǒng)初始化時由USB口下載FPGA程序,通過單片機(jī)串口對其進(jìn)行線配置。
本系統(tǒng)可廣泛用于振動、噪聲測試分析。可以在WINDOWS95/98/NT下開發(fā)各類動態(tài)測試與信號處理的應(yīng)用程序,根據(jù)需要加載已經(jīng)編制的各種DSP算法,使其具有信號分析、模態(tài)分析、聲學(xué)分析、環(huán)境測試、長時間記錄等功能。
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