基于DSP CPLD信號采集系統(tǒng)通訊接口設(shè)計

0．引言

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)理論的不斷發(fā)展，數(shù)字信號處理器的發(fā)展也是日新月異。不僅執(zhí) 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(yīng)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(yīng)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(yīng)用層協(xié)議應(yīng)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(fù)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：

（1）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(wù)。

（2）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(yīng)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(yīng)設(shè)備驅(qū)動程序，完成枚舉。

（3）用戶應(yīng)用程序

用戶應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)處理。軟件程序流程圖如圖2 所示。

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(yīng)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(yīng)用程序，根 據(jù)用戶發(fā)送的請求完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖 2 DSP 軟件程序設(shè)計流程圖

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?張彪，方方，焦歡歡，黃洪全成都理工大學核技術(shù)與自動化工程學院)