基于DSP的核信號采集系統(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(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：

　?。?）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(zé)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)。

　?。?）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(dāng)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。