USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

引言

USB通用串行總線(Universal Serial Bus)是被PC機(jī)廣泛采用的一種總線，目前已經(jīng)在計(jì)算機(jī)主板上大量集成，成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置接口。它的即插即用、真正的熱插拔、可總線供電、高性能和系統(tǒng)造價(jià)低等一系列的優(yōu)點(diǎn)，使得USB接口得到了廣泛的應(yīng)用。特別是隨著USB2.0高速傳輸協(xié)議的出現(xiàn)，其數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到了480Mb/s，使得USB接口方式的虛擬儀器系統(tǒng)成為今天低成本虛擬儀器系統(tǒng)的主流。本文設(shè)計(jì)了基于USB2.0高速傳輸?shù)?strong>數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程完全采用DMA方式，達(dá)到了較高的數(shù)據(jù)傳輸速度。

1、系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用Philips公司的微控制器LPC2888作為系統(tǒng)核心控制器。前端數(shù)據(jù)采集模塊由一片CPLD實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集和觸發(fā)控制的功能。當(dāng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)成功連接進(jìn)入工作狀態(tài)后，LPC2888從USB接口接收來(lái)自應(yīng)用程序的控制命令，然后通過(guò)控制CPLD對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采樣通道、采樣速率和觸發(fā)模式進(jìn)行配置后啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集。CPLD控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)配合LPC2888通用DMA控制器的接口時(shí)序?qū)⒉蓸訑?shù)據(jù)以DMA方式傳輸?shù)絃PC2888內(nèi)部緩存。最后由USB高速設(shè)備接口將采樣數(shù)據(jù)從LPC2888內(nèi)部緩存?zhèn)鬏數(shù)接?jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理和波形顯示等功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 LPC2888微控制器

LPC2888是一款基于ARM7TDMI內(nèi)核的微控制器，帶有8kB高速緩存，最高工作時(shí)鐘頻率60MHz。在結(jié)構(gòu)上增加了多通道通用DMA控制器(GPDMA)。它支持存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器到外設(shè)，外設(shè)到存儲(chǔ)器和外設(shè)到外設(shè)的DMA傳輸。本系統(tǒng)采用GPDMA控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從前端數(shù)據(jù)采集模塊到內(nèi)部緩存的DMA傳輸。同時(shí)，LPC2888集成有USB高速設(shè)備控制器。它完全兼容USB2.0協(xié)議，支持USB高速傳輸，理論最高傳輸速度480Mb/s，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。USB設(shè)備控制器直接掛接在LPC2888系統(tǒng)內(nèi)部核心總線AHB上，可以方便地與ARM控制器內(nèi)核及外部存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)。其內(nèi)部包含一個(gè)DMA引擎，當(dāng)USB接口運(yùn)行在DMA模式時(shí)，DMA引擎作為AHB總線上的主機(jī)，在ARM內(nèi)部緩存和USB設(shè)備控制器緩存之間傳遞數(shù)據(jù)，傳輸過(guò)程不需要控制器內(nèi)核程序的參與，所以能夠達(dá)到較高的數(shù)據(jù)傳輸速度。

圖2 USB高速設(shè)備控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)控制電路和CPLD構(gòu)成。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用美國(guó)模擬器件公司(ADI)推出的快速12位雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9238。單雙通道選擇和采樣頻率控制通過(guò)CPLD控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程DMA方式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程包含兩個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)是從CPLD到LPC2888內(nèi)部緩存，另一個(gè)是從LPC2888內(nèi)部緩存通過(guò)USB接口到計(jì)算機(jī)。兩個(gè)環(huán)節(jié)都采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)，兩個(gè)環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)通過(guò)GPDMA控制器產(chǎn)生的半滿(mǎn)、全滿(mǎn)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程完全采用DMA的傳輸方式，從而可以消除因微控制器固件程序執(zhí)行較慢而造成的對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的影響。

2.1 從CPLD到LPC2888內(nèi)部緩存的DMA傳輸

CPLD從AD9238獲得兩個(gè)12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果，經(jīng)過(guò)位數(shù)變換后送到32位的數(shù)據(jù)信號(hào)線。數(shù)據(jù)信號(hào)線直接連接到LPC2888的P0口(32位)。由于CPLD內(nèi)部沒(méi)有數(shù)據(jù)緩存過(guò)程，所以為了保證不丟失采樣點(diǎn)，從CPLD到LPC2888內(nèi)部緩存的DMA傳輸必須保證連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。為此，系統(tǒng)采取了如下解決方案：

1) 在LPC2888內(nèi)部RAM中開(kāi)辟兩塊相同大小的緩存空間：buffer1和buffer2。將通用DMA控制器的通道3和通道5分別配置為從P0口到buffer1和buffer2的DMA通道。

2) 配置DMA通道3和通道5為外部信號(hào)控制模式，由CPLD作為DMA數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的主機(jī)。

3) DMA通道3和通道5采用交替工作的方式，由CPLD控制邏輯實(shí)現(xiàn)。

CPLD與LPC2888之間的硬件連接如圖3所示。其中DMAEn是DMA通道的外部使能控制信號(hào)，其上升沿啟動(dòng)一次DMA操作。DMAReq是DMA數(shù)據(jù)同步信號(hào)，該信號(hào)控制數(shù)據(jù)節(jié)拍，每次DMA操作傳輸4096個(gè)數(shù)據(jù)。IO口P2.0和P2.1分別為啟動(dòng)停止和采樣模式選擇控制信號(hào)線，實(shí)現(xiàn)LPC2888對(duì)CPLD的控制。系統(tǒng)采用Verilog HDL語(yǔ)言描述CPLD控制邏輯，從CPLD到LPC2888內(nèi)部緩存的DMA傳輸時(shí)序如圖4所示。

圖3 CPLD與ARM接口

圖4 GPDMA傳輸時(shí)序圖

2.2 USB高速設(shè)備接口的DMA傳輸

USB高速設(shè)備控制器支持16個(gè)物理端點(diǎn)，其中4個(gè)端點(diǎn)支持DMA方式。本設(shè)計(jì)中選用三個(gè)端點(diǎn)：EP0、EP2和EP3。控制端點(diǎn)EP0工作在控制傳輸模式，用于接收USB主機(jī)的SETUP令牌包、響應(yīng)主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求、完成USB設(shè)備的枚舉過(guò)程。EP2配置為OUT(輸出)模式，用于接收來(lái)自應(yīng)用程序的控制命令。EP3配置為IN(輸入)模式，采用批量傳輸工作方式，負(fù)責(zé)將采樣結(jié)果傳輸?shù)絇C機(jī)。從LPC2888內(nèi)部緩存到計(jì)算機(jī)的DMA傳輸由USB高速設(shè)備控制器內(nèi)部的DMA引擎和EP3批量傳輸配合完成。為了達(dá)到較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，EP3批量傳輸采用自動(dòng)傳輸模式。DMA引擎將LPC2888內(nèi)部緩存數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB設(shè)備控制器內(nèi)部FIFO緩存中，當(dāng)FIFO獲得的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的大小時(shí)將自動(dòng)封包由EP3傳輸?shù)絇C機(jī)。同時(shí)，當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)為空時(shí)，控制器將自動(dòng)啟動(dòng)DMA引擎繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)的DMA傳輸過(guò)程完全由USB高速設(shè)備控制器硬件實(shí)現(xiàn)，程序中只需更改DMA源地址寄存器并設(shè)置使能控制寄存器即可啟動(dòng)一次DMA傳輸。

2.3 兩個(gè)DMA傳輸環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)

系統(tǒng)中利用GPDMA控制器產(chǎn)生的半滿(mǎn)和全滿(mǎn)中斷信號(hào)協(xié)調(diào)兩個(gè)DMA對(duì)同一個(gè)緩存空間的操作，實(shí)現(xiàn)了LPC2888對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的協(xié)調(diào)控制。當(dāng)DMA通道3工作時(shí)，采樣數(shù)據(jù)從CPLD傳輸?shù)絙uffer1，同時(shí)USB高速設(shè)備控制器對(duì)buffer2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行DMA操作;當(dāng)DMA通道5工作時(shí)，采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)絙uffer2，USB高速設(shè)備控制器對(duì)buffer1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。如圖5中LPC2888程序流程所示。

圖5 LPC2888程序流程

3、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件包括兩個(gè)部分：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)應(yīng)用程序。開(kāi)發(fā)USB設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題在于設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)。傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具是微軟公司提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工具包：Windows DDK(Device Driver Kits)，以及由第三方公司基于DDK開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具包：WinDriver或DriverWorks。DDK基于匯編語(yǔ)言的編程方式和內(nèi)核模式的調(diào)用，對(duì)于沒(méi)有深厚的操作系統(tǒng)原理和編程水平的人員來(lái)說(shuō)，任務(wù)相當(dāng)艱巨。本文使用美國(guó)國(guó)家儀器NI (National Instruments)公司開(kāi)發(fā)的NI-VISA(Virtual Instrument Software Architecture)控制USB設(shè)備，直接配置VISA生成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，避開(kāi)了以往開(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)雜性，同時(shí)直接使用虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)LabWindows CVI開(kāi)發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用程序，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

3.1 使用NI-VISA開(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

NI-VISA是NI公司開(kāi)發(fā)的一種用來(lái)與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口。VISA總線I/O軟件是一個(gè)綜合軟件包，它不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制，可用來(lái)對(duì)USB、GPIB、串口、PCI、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行配置、編程和調(diào)試。使用VISA可以很容易地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序和USB設(shè)備之間的連接，降低了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)難度。

VISA提供了兩類(lèi)函數(shù)供應(yīng)用軟件調(diào)用，USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備。USB INSTR設(shè)備是符合USBTMC(USB測(cè)試測(cè)量類(lèi))協(xié)議的USB設(shè)備，可以通過(guò)使用USB INSTR類(lèi)函數(shù)控制，通信時(shí)無(wú)需配置NI-VISA;而USB RAW設(shè)備是指除了明確符合USBTMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設(shè)備，通信時(shí)要配置NI-VISA。經(jīng)過(guò)配置后，VISA自動(dòng)創(chuàng)建好設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件：inf文件和PNF文件。當(dāng)相應(yīng)的USB設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)時(shí)，操作系統(tǒng)將自動(dòng)安裝該設(shè)備驅(qū)動(dòng)并識(shí)別該設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

使用NI-VISA開(kāi)發(fā)的USB設(shè)備可以在LabVIEW和LabWindows CVI中直接調(diào)用，其中有相應(yīng)的VI子節(jié)點(diǎn)和庫(kù)函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。本系統(tǒng)采用LabWindows CVI開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用程序。對(duì)設(shè)備的操作遵循下面的原則：首先打開(kāi)設(shè)備，然后可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)、設(shè)置設(shè)備屬性等操作，最后要關(guān)閉設(shè)備。目前應(yīng)用程序設(shè)置有兩種工作模式：示波器模式和連續(xù)采集存儲(chǔ)模式。示波器模式每隔一定的時(shí)間間隔啟動(dòng)一次采集，采用模擬電平觸發(fā)，采樣長(zhǎng)度固定，采樣結(jié)果波形實(shí)時(shí)顯示。連續(xù)采集存儲(chǔ)模式啟動(dòng)采集后，系統(tǒng)將采樣結(jié)果實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)文件中。停止采集后，應(yīng)用程序打開(kāi)數(shù)據(jù)文件對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行波形顯示、數(shù)據(jù)處理等操作。系統(tǒng)應(yīng)用程序界面如圖6所示。

4、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

本文對(duì)該系統(tǒng)主要從以下四個(gè)方面進(jìn)行了測(cè)試。

1)將CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)定為傳輸固定數(shù)據(jù)，如0xAA55。系統(tǒng)在連續(xù)采集存儲(chǔ)模式下工作，獲得數(shù)據(jù)文件。采用二進(jìn)制文件編輯軟件UltraEdit查看數(shù)據(jù)文件，其中所有采樣點(diǎn)結(jié)果均為0xAA55。驗(yàn)證了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的正確性。

2)將CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)定為傳輸每次增1的數(shù)據(jù)，獲得采樣數(shù)據(jù)文件進(jìn)行查看。得到采樣點(diǎn)結(jié)果為遞增的數(shù)據(jù)，每次增量為1。驗(yàn)證了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程沒(méi)有丟失采樣點(diǎn)，保證了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的可靠性。

3)將CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)定為傳輸AD采樣結(jié)果。系統(tǒng)工作在示波器模式下，實(shí)時(shí)查看采樣結(jié)果波形。調(diào)整輸入模擬信號(hào)幅值、頻率和波形，分別得到相應(yīng)的采樣結(jié)果波形。驗(yàn)證了AD轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的正確性。圖6所顯示被采樣信號(hào)為250Hz正弦信號(hào)，峰峰值5V，采樣速率1MS/s。

圖6 系統(tǒng)應(yīng)用程序界面

4)USB接口數(shù)據(jù)傳輸速度測(cè)試。這里采用總線分析測(cè)試軟件Bus Hound測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度。該軟件可以觀察USB設(shè)備的工作情況，讀取當(dāng)前USB設(shè)備輸入輸出數(shù)據(jù)量的大小、數(shù)據(jù)傳輸速度和設(shè)備屬性等信息，并且在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)對(duì)設(shè)備的工作產(chǎn)生影響。測(cè)試時(shí)首先運(yùn)行Bus Hound軟件，啟動(dòng)系統(tǒng)工作在連續(xù)采集存儲(chǔ)模式，然后可以在Bus Hound中得到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)最高數(shù)據(jù)傳輸速度為16MB/s(128Mb/s)。圖7所示為Bus Hound軟件界面和數(shù)據(jù)傳輸速度測(cè)試結(jié)果。

圖7 軟件Bus Hound的界面與速度測(cè)試結(jié)果

5、結(jié)論

本文使用嵌入式微控制器LPC2888和CPLD成功地完成了基于USB高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)利用CPLD配合GPDMA控制器實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集模塊到LPC2888內(nèi)部緩存的DMA數(shù)據(jù)傳輸，利用USB設(shè)備控制器DMA引擎配合端點(diǎn)批量傳輸實(shí)現(xiàn)了從緩存到計(jì)算機(jī)的DMA傳輸，并通過(guò)中斷對(duì)兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的DMA傳輸。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)128Mb/s。

在USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)上，本文嘗試了一種新方法。配置NI-VISA生成驅(qū)動(dòng)程序，在LabWindows CVI中進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，通過(guò)VISA控制USB設(shè)備。實(shí)踐證明：使用該方法開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，不需要開(kāi)發(fā)者了解驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)核，開(kāi)發(fā)難度低，是一種簡(jiǎn)單、快速開(kāi)發(fā)USB接口應(yīng)用系統(tǒng)的好方法。

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