基于USB和DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2007-11-07
作者：戴小俊1,2,， 丁鐵夫1,， 鄭喜
摘 要：介紹了一種利用USB2.0的高速傳輸特性,，基于USB和DSP的數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。詳細(xì)論述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、部分硬件設(shè)計(jì),，并簡(jiǎn)要敘述了相應(yīng)固件程序的實(shí)現(xiàn),。
關(guān)鍵詞：USB? DSP? FPGA? 高速傳輸
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測(cè)量?jī)x器一般由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和顯示三部分組成,，而數(shù)據(jù)分析和顯示可以由PC機(jī)的軟件來(lái)完成,，因此只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件就可以和PC機(jī)組成測(cè)量?jī)x器。這種基于PC機(jī)的測(cè)量?jī)x器被稱為虛擬儀器[1],。而在一些數(shù)據(jù)量比較大,、采集時(shí)間比較長(zhǎng)的場(chǎng)合，就需要采用高速的數(shù)據(jù)傳輸通道?；谔摂M儀器的思想和高速傳輸通道的要求,，設(shè)計(jì)了一種基于DSP和USB2.0的高速數(shù)據(jù)傳輸接口。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由A/D數(shù)據(jù)采集單元,、USB從接口單元,、U盤讀寫單元組成。硬件原理圖如圖1所示,。被測(cè)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后寫入FIFO中,；當(dāng)FIFO數(shù)據(jù)半滿后，產(chǎn)生中斷,，通知DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理,；DSP把壓縮好的數(shù)據(jù)依次寫入U(xiǎn)SB接口芯片" title="接口芯片">接口芯片的4個(gè)從FIFO中，4個(gè)從FIFO對(duì)應(yīng)USB的4個(gè)端點(diǎn),，DSP一邊寫入數(shù)據(jù),，已寫滿的從FIFO就一邊通過(guò)相應(yīng)端點(diǎn)由SIE把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)一邊把收到的數(shù)據(jù)通過(guò)多線程存儲(chǔ)到硬盤中,，一邊把數(shù)據(jù)解壓并把波形實(shí)時(shí)顯示出來(lái),。對(duì)于少量的數(shù)據(jù)，可以存儲(chǔ)到U盤,，送回PC機(jī)進(jìn)行分析顯示,。
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1.1 A/D采集模塊
作為單通道輸入的MAX1189,，主要控制信號(hào)有CS,、R/C(Read/Conversion)、EOC(End of Conversion),。圖2為MAX1189的時(shí)序圖[2],。如圖2所示，每個(gè)采樣周期長(zhǎng)達(dá)CS信號(hào)的三個(gè)周期,。在第一個(gè)CS信號(hào)的下降沿,，如果R/C為低電平，也就進(jìn)入了應(yīng)答模式,，這是開(kāi)始采樣前必須的準(zhǔn)備工作,。為了適應(yīng)不同的輸入極性要求，MAX1189的內(nèi)部參考電壓可以在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)行設(shè)置,，這是通過(guò)在第二個(gè)CS下降沿時(shí),，R/C的高低電平變化來(lái)控制的，非常簡(jiǎn)便,。低電平時(shí),，ADC內(nèi)部參考電壓無(wú)需進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣在開(kāi)始下一個(gè)周期的轉(zhuǎn)換時(shí)無(wú)需等待電壓的變化。高電平" title="高電平">高電平時(shí),，內(nèi)部參考電壓會(huì)進(jìn)行調(diào)變,，這樣在開(kāi)始下一周期的轉(zhuǎn)換時(shí)需要等待大約12?滋s的時(shí)間。在CS信號(hào)的第三個(gè)下降沿,，EOC信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，表示采樣結(jié)束，此時(shí)R/C信號(hào)為高電平,，會(huì)把采樣數(shù)據(jù)放到總線上,，這樣就完成了一個(gè)周期的采樣。采樣模塊的控制信號(hào)是由FPGA控制的,。
1.2 DSP與FIFO的連接
主處理器DSP既要控制采集,，又要完成數(shù)據(jù)的處理和傳輸，因此數(shù)據(jù)采集模塊采集來(lái)的數(shù)據(jù)不能直接傳送給DSP,這會(huì)極大影響DSP的處理效率,。解決辦法是利用數(shù)據(jù)緩沖器如雙口RAM,、FIFO等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適度緩存,，當(dāng)緩存的數(shù)據(jù)量達(dá)到一個(gè)設(shè)定值時(shí),，可以通知CPU進(jìn)行一次高速數(shù)據(jù)傳輸，將緩存的數(shù)據(jù)一次性地讀入,。在設(shè)計(jì)中采用了緩沖,，較好地解決了采集端與處理端的速度匹配問(wèn)題。
FIFO的讀寫由各自的控制時(shí)鐘FIFOR和FIFOW控制,，寫時(shí)鐘與采樣時(shí)鐘同步,，讀時(shí)鐘與DSP處理數(shù)據(jù)的時(shí)序有關(guān)。當(dāng)FIFO半滿后,，F(xiàn)PGA會(huì)根據(jù)FIFOHF,、FIFOE/F、FIFOPAFE的相應(yīng)位判斷FIFO是否半滿,，F(xiàn)PGA便向DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求,。本設(shè)計(jì)中采用外部中斷的EXTINT3來(lái)作為FIFO緩沖數(shù)據(jù)的DMA傳輸觸發(fā)事件。DSP響應(yīng)FPGA中斷請(qǐng)求,，讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮,。當(dāng)DSP數(shù)據(jù)處理速度跟不上采集數(shù)據(jù)速度時(shí)，F(xiàn)IFO就會(huì)全滿,，F(xiàn)PGA根據(jù)FIFOHF,、FIFOE/F、FIFOPAFE相應(yīng)位狀態(tài)判斷到FIFO已全滿,，于是向USB接口芯片單片機(jī)發(fā)出最高級(jí)中斷請(qǐng)求,，通知系統(tǒng)數(shù)據(jù)己溢出,，采集發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤。
1.3 USB從接口電路
USB從接口單元采用CYPRESS的CY7C68013芯片,。如圖3所示,，USB接口芯片CY7C68013由3.3V電源供電。PAO/INTO#選擇INTO工作方式,，其中斷級(jí)別最高,，當(dāng)FIFO全滿造成數(shù)據(jù)溢出導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，該中斷請(qǐng)求發(fā)生,，系統(tǒng)通知數(shù)據(jù)溢出錯(cuò)誤,，并停止數(shù)據(jù)采集。RESET#為USB接口芯片復(fù)位輸入,。
USB的FDO～FDl5與DSP的I/O數(shù)據(jù)線相連,，用于DSP與USB從FIFO通信，SLWR為寫控制時(shí)鐘,。FLAGB,、FLAGC用于輸出2,4,6,8相應(yīng)端點(diǎn)從FIFO的空滿狀態(tài)，以便DSP寫USB從FIFO時(shí)獲取空滿狀態(tài),。
FIFOADRO,、FIFOADR1用于DSP尋址2,4,6,8相應(yīng)端點(diǎn)USB從FIFO，F(xiàn)IFOADRO及FIFOADR1功能真值表如表1所示,。FIFOADRO,、FIFOADR1的初值為00，對(duì)應(yīng)DSP寫端點(diǎn)2的從FIFO, FPGA對(duì)寫USB從FIFO的控制時(shí)鐘SLWR計(jì)數(shù),，當(dāng)達(dá)到512次時(shí),，表示端點(diǎn)2己寫滿，計(jì)數(shù)器清零,，F(xiàn)IFOADRO和FIFOADR1的值自加一次變?yōu)?1,，對(duì)應(yīng)DSP寫端點(diǎn)4的從FIFO,。以此類推,，DSP依次寫2,4,6,8端點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFOADRO和FIFOADR1的值為11時(shí),，再自加一次,，F(xiàn)IFOADRO和FIFOADR1的值又變?yōu)?0,因此，DSP可循環(huán)寫2,4,6,8端點(diǎn),。需要說(shuō)明的是,，當(dāng)DSP開(kāi)始寫一新端點(diǎn)的從FIFO之前，DSP要讀一次FLAGB,、FLAGC標(biāo)志位,，若該端點(diǎn)不空，則等待；若空,，則進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作[3],。
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1.4 U盤讀寫單元
此電路單元采用USB主控芯片CH375。CH375 是一USB總線的通用接口芯片,，支持USB-HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式,。此系統(tǒng)中只采用USB的主功能，用來(lái)讀寫U盤[4],。
CH375 芯片的RD#和WR#引腳分別連接DSP的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳,。CS#由地址譯碼電路驅(qū)動(dòng)。INT#輸出的中斷請(qǐng)求是低電平有效,，可以連接到DSP的中斷輸入引腳,。當(dāng)WR#為高電平并且CS#和RD#及A0都為低電平時(shí)，CH375中的數(shù)據(jù)通過(guò)D7～D0 輸出,；當(dāng)RD#為高電平并且CS#和WR#及A0都為低電平時(shí),，D7～D0上的數(shù)據(jù)被寫入CH375芯片中；當(dāng)RD#為高電平并且CS#和WR#都為低電平而A0 為高電平時(shí),，D7～D0上的數(shù)據(jù)被作為命令碼寫入CH375芯片中,。CH375內(nèi)置了處理Mass-Storage 海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，DSP可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB 存儲(chǔ)設(shè)備（包括USB硬盤/USB閃存盤/U 盤）,。
2 軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的軟件主要由兩大部分組成：USB芯片軟件及DSP通信軟件,。其中，USB芯片軟件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,，它又包括固化程序,、驅(qū)動(dòng)程序、PC機(jī)端應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序[5]以及DSP端通信接口程序,。
2.1 固化程序
?USB芯片的固化程序主要負(fù)責(zé)：
(1) 寄存器初始化工作,，設(shè)置一些特殊功能寄存器的初值以實(shí)現(xiàn)所需的屬性或者功能；
(2) 輔助硬件完成設(shè)備的枚舉過(guò)程,，對(duì)主機(jī)的設(shè)備請(qǐng)求作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng),；
(3) 完成中斷處理、數(shù)據(jù)接收及發(fā)送以及對(duì)外圍電路的控制,。
2.2 驅(qū)動(dòng)程序
開(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可采用Jungo公司的WinDriverv6．03,，并以VC++6.0作為輔助開(kāi)發(fā)環(huán)境。利用WinDriver提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái),，用戶即可完成驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)工作,，剩下的底層細(xì)節(jié)由WinDriver內(nèi)核統(tǒng)一處理，從而降低了對(duì)開(kāi)發(fā)者編程能力的要求,，同時(shí)也大大縮短了開(kāi)發(fā)周期,。下面對(duì)使用WinDriver開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的步驟作一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明：
(1) 啟動(dòng)WinDriver的DriverWizard工具,；
(2) 利用DriverWizard檢測(cè)硬件是否正常；
(3) 在DriverWizard中選擇所使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境,，這里使用VC6．0開(kāi)發(fā)環(huán)境,，并生成驅(qū)動(dòng)程序代碼；
(4) 對(duì)生成的代碼進(jìn)行修改,，使其符合系統(tǒng)的需要,；
(5) 在WinDriver環(huán)境的用戶模式下調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序。
2.3 PC端應(yīng)用程序
USB主機(jī)應(yīng)用程序是計(jì)算機(jī)中完成特定功能的程序,，其關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)從USB 外設(shè)讀取或發(fā)送特定數(shù)量的數(shù)據(jù),、USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和特定的命令等。另外,，可以對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理,，如：存儲(chǔ)、顯示,、快速傅立葉變換等,。
主機(jī)應(yīng)用程序的編寫使用ＶＣ編譯環(huán)境中的ＡＰＩ函數(shù)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序的編程方法與串口編程類似,。首先必須查找設(shè)備,，調(diào)用WIN32函數(shù)CreateFilea( )打開(kāi)設(shè)備的句柄；然后調(diào)用WIN32函數(shù)DeviceIoControl( )就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫和控制操作,；最后關(guān)閉設(shè)備句柄,。
2.4 DSP端通信接口程序
在本設(shè)計(jì)中，DSP處于主控地位,，通過(guò)INT中斷決定什么時(shí)候接收USB送來(lái)的數(shù)據(jù),，并把接收來(lái)的數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單的壓縮運(yùn)算，決定何時(shí)往USB發(fā)送這些數(shù)據(jù),。在讀數(shù)據(jù)時(shí),，應(yīng)首先判斷FX2的FIFO2是否為空，如果不為空則將數(shù)據(jù)讀進(jìn)來(lái),，一次讀進(jìn)一個(gè)16位數(shù),。在寫數(shù)據(jù)時(shí)，首先判斷要寫的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是否為512字節(jié)的整倍數(shù),。
由于開(kāi)發(fā)此系統(tǒng)涉及到USB驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì),，比較繁瑣,，嘗試?yán)肕ass Storage協(xié)議開(kāi)發(fā)虛擬設(shè)備,，把數(shù)據(jù)采集卡當(dāng)作一個(gè)Windows的外圍設(shè)備，采用文件系統(tǒng)格式直接以文件形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù),。這部分主要是修改CY7C68013的固件程序,，如設(shè)備描述符,、端點(diǎn)描述符，主機(jī)會(huì)把采集卡認(rèn)為是一Mass Storage設(shè)備,，然后利用SCSI協(xié)議以及文件系統(tǒng)就可以直接存儲(chǔ)由DSP傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),，這樣就省去了復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。
本文介紹了基于USB2.0的16bit數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，采用數(shù)據(jù)壓縮算法完成了數(shù)據(jù)量的壓縮以及高速數(shù)據(jù)傳輸[6],。由于USB的即插即用特性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡插拔困難的缺點(diǎn),，相信隨著技術(shù)的進(jìn)步,，USB技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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