TMS320VC5402 I／o資源配置及與USB通信
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0 引言
DSP(數(shù)字信號處理器)芯片TMS320VC5402具有高性能、低功耗、資源多等特點，其獨特的6總線哈佛結(jié)構(gòu)，使其能夠6條流水線同時工作，工作頻率達(dá)到100 MHz。具有2個緩沖串口BSP、8位并行EHPI(增強主機接口)、可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器等，可以滿足數(shù)據(jù)處理控制的要求。
針對此應(yīng)用系統(tǒng)通信接口數(shù)據(jù)量大、對速度要求高、實時控制的特點，本項目采用高速USB(通用串行總線)接口實現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)處理與傳輸。USB是一種新型接口技術(shù)，是計算機和外圍設(shè)備接口通信的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它支持熱插拔、即插即用，連接簡單。本文將介紹VC5402的GPI()(I／0)資源配置及CY7C68013與外設(shè)的從(Slave)FIF0接口方式。
1系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)以TI公司的TMS320VC5402 DsP為主控制器，主要分為神經(jīng)信號處理電路、神經(jīng)刺激電路和信號傳輸電路3部分。系統(tǒng)首先根據(jù)相應(yīng)的控制信號選通神經(jīng)微電極陣列的某路或多路測點，發(fā)出相應(yīng)的刺激信號，并在對腦細(xì)胞進(jìn)行電刺激的同時記錄細(xì)胞反應(yīng)，并將采集到的神經(jīng)信號數(shù)據(jù)通過USB口傳送到上位機，進(jìn)行病理分析，從而實現(xiàn)了對電刺激的控制和腦信號的高速實時傳輸和處理。該系統(tǒng)可根據(jù)所建的腦電信號數(shù)據(jù)庫，模擬產(chǎn)生與運動相應(yīng)的神經(jīng)信號，分別對不同的腦區(qū)域進(jìn)行電刺激，達(dá)到治療的目的。系統(tǒng)
方案如圖l所示。
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TMS320VC5402除了使用VC54x系列中常用的GPIO外，還為用戶提供了多個可選擇的GPIO：HPI一8和McBSP?？膳c各類存儲器直接接口。
USB2．0控制器選擇Cypress公司的FX2系列產(chǎn)品cY7C68013。EZUSB FX2是Cypress公司生產(chǎn)的世界上第1個USB2．0的集成微控制器，包括1個805l處理器、1個SIE(串行接口引擎)、1個USB收發(fā)器、8．5 kB片上RAM、4 kB FIF0存儲器和1個GPIF(通用可編程接口)，總線標(biāo)準(zhǔn)傳輸速度達(dá)480 Mbit／s，足夠滿足高速外設(shè)的速率要求。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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2 TMs320VC5402 I／o資源配置
由于本系統(tǒng)含有多個處理模塊，而且在同一時刻，神經(jīng)微電極陣列要選通多路同時進(jìn)行神經(jīng)電刺激、信號采集及USB傳輸。DSP芯片的GPIO資源不夠用，需要擴展I／0以滿足需求。因此，本項目將EHPI配置為8位通用I／O，用做數(shù)據(jù)線與cY7C68013通信。將McBSP配置為通用I／／0，用做CY7C68013的控制線。
2．1。EHPI-8用做GPIO
FMS320VC5402的8位EHPI將DSP設(shè)置為從模式來完成與主處理機之間的通信任務(wù)，使得主機和DSP均可以訪問DSP上存儲器。但HPI．8的8位雙向數(shù)據(jù)總線也可以用做GPIO引腳。這個功能僅當(dāng)HPI-8接口禁止時有效，即當(dāng)HPIENA引腳在復(fù)位過程中被置為低電平時有效。可通過GPIOCR(通用輸入／輸出控制寄存器)和GPIOSR(通用輸入／輸出狀態(tài)寄存器)這兩個存儲器映射寄存器用來控制HPI．8數(shù)據(jù)引腳的GPIO功能。
GPIOCR的方向位(DIRx)用來設(shè)置HD0～HD7是輸入還是輸出。如圖3所示。定時器1輸出位TOUTl只對那些有兩個定時器的器件才有效，它控制定時器l輸出到HINT引腳上。當(dāng)系統(tǒng)只有1個定時器時，該位被保留。當(dāng)HPI一8接口使用時，TOuTl位和DIRx為被強迫置零，并且通用輸入／輸出引腳只能處于輸入模式。
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GPIO引腳(HDx，x=0：7)的狀態(tài)可以用GPIOSR中的位來監(jiān)控。如圖4所示。當(dāng)一個HDx引腳被設(shè)定為輸入端時(通過對GPIOCR中的DIRx位寫入一個"O")，GPIOSR中對應(yīng)的位可以被讀取以確定這個引腳上探測到的邏輯值。同樣，當(dāng)一個HDx引腳被設(shè)定為一個輸出端時，驅(qū)動到這個引腳上的邏輯值被寫人GPIOCR中的相應(yīng)位。
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2．2 McBSP用做GPIO
TMS320VC5402是54x系列中最早引入McBSP(多通道緩沖串行口)的芯片。該串行口在以下兩個條件成立時(串口引腳CLKX、FSX、DX、CLKR、FSR和DR可以被用作GPIO引腳，而不作為串口引腳)：
a)串口的相關(guān)部分(發(fā)送端或接收端)處于復(fù)位狀態(tài)，即SPCR[1，2]中
b)串口的相關(guān)部分的GPIO引腳功能被啟用，即PCR中的(R／X)IOEN=l。
PcR(引腳控制器)說明了將McBSP的引腳配置成通用I／0引腳的位，如圖5所示。
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表l列出了詳細(xì)的配置情況。
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DX總是用做輸出，當(dāng)發(fā)送端被選做GPIO引腳時，PCR中DX-STA3、位的值被驅(qū)動到DX上；DR總是作為輸入，并且它的值保存在PCR的DR．STAT位中；因為cLXS總足作為McBSP的輸入并且影響發(fā)送和接收操作，所以若要配置CIXS為通用的輸入引腳，則發(fā)送端和接收端必須都處于復(fù)位狀態(tài)，且保證(R／x)IOEN=l。
3 CY7C68013與TMs320VCl5402硬件連接
CY7C68013與DSP的連接方法有主／從兩種接口方式：可編程接口GPIF和從FIFO。可編程接口GPIF是主機方式，可以由軟件編寫讀寫控制時序，靈活方便，幾乎可以和所有8／16 bit接口的控制器、存儲器和總線進(jìn)行無縫連接。
從FIFO方式是從機方式，外部控制器可以像對待普通FIFO一樣對FX2內(nèi)的多個緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫。從FIFO接口也可以靈活配置以適應(yīng)不同的需要。
本方案采用從FIFO方式，異步讀寫，屬從機方式。圖6為cY7C68013與rMS320C5402硬件連接圖。
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FLAGA、FLAGB和l FIAGC是C68013內(nèi)部FIFO的狀態(tài)標(biāo)志，VC5402由已配置為通用I／O口的McB-sP口來獲得FIFO的空、半滿和滿等狀態(tài)信息，實現(xiàn)對C68013內(nèi)部FIFO的選擇，并完成對CYTC68013進(jìn)行讀寫操作控制。Vc5402數(shù)據(jù)包提交由配置為通用I／O的EHPI-8口實現(xiàn)。工作過程為：DSP通過USB向Pc發(fā)送數(shù)據(jù)時，先查看空、半滿和滿3個狀態(tài)信號，再向USB寫入適當(dāng)大小的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)不會溢出。Pc機經(jīng)USB向DSP發(fā)送命令字時，USB按中斷方式通知DSP讀取命令字。因方案采用USB2．0高速模式，所以IJSB端口D+、D一線上使用15 kΩ,電阻連接到3．3 V電源。
4 uSB2．O軟件設(shè)計
USB軟件包括固件設(shè)計、驅(qū)動程序設(shè)計和主機端應(yīng)用程序的設(shè)計3方面的工作。
4．1固件設(shè)計
固件是運行在USB2．0總線控制器中的程序，功能主要包括：實現(xiàn)芯片初始化；處理USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求，加載后與主機驅(qū)動配合完成接口設(shè)備的第2次枚舉；處理與TMS320VC5402的數(shù)據(jù)交換；處理與主機之間的USB接口的數(shù)據(jù)交換。
Cypress公司為FX2芯片提供基于Keil C51開發(fā)的固件函數(shù)庫(Ezusb．1ib)和固件框架(frame Work)。利用這些固件架構(gòu)，用戶開發(fā)的主要工作是根據(jù)自定義設(shè)備修改periph．c。本系統(tǒng)中CY7C68013主要完成接收并處理USB驅(qū)動程序的請求、將數(shù)據(jù)實時上傳至PC。方案選擇CY7C68013工作于異步從FIFO模式。將4 kB的FIFO對應(yīng)到兩個端點(EndPoint)，即End-Point2和EndPoint6，相應(yīng)的寄存器操作為：EP2CFG=OxA0，EP6CFG=0xE2。：EndPoint2與EndPoint6分別對應(yīng)2 kB的內(nèi)部FIFO)，用以存放LISB需要上傳與接受的數(shù)據(jù)。其中EndPoint2為OUT。型，從主機接收數(shù)據(jù)；EndPoint6為IN型，向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。相應(yīng)的寄存器操作為EP2FIFOCFG=0xl l，EP6 FIFOCFG=0x0D。EndPoint2與End．Point6設(shè)置成自動批量(BULK)傳輸
方式，即在數(shù)據(jù)傳輸過程中不需cY7C68013的8051內(nèi)核參與。這種方式相對于其他USB2．0定義的傳輸方式具有數(shù)據(jù)可靠、傳輸速率高等特點，是最常用的傳輸方式。因此，periph．c中無需在用戶功能函數(shù)TD-Poll()中添加代碼，而只在TD-lnit()函數(shù)中設(shè)置芯片工作方式即可。為了完善整個LiSB傳輸功能，提高固件健壯性，還給FlFO添加了自動清空復(fù)位功能。
4．2驅(qū)動程序設(shè)計
USB設(shè)備驅(qū)動程序包含USB總線驅(qū)動程序和USB設(shè)備驅(qū)動程序。USB總線驅(qū)動程序由windows操作系統(tǒng)提供(USBD．SYS)，用戶不需要知道USB總線驅(qū)動程序的工作細(xì)節(jié)；USB設(shè)備驅(qū)動程序位于USB總線驅(qū)動程序之上，通過向USB總線驅(qū)動程序發(fā)送包含USB請求的IRP來實現(xiàn)對USB設(shè)備信息的發(fā)送或接收。USB設(shè)備驅(qū)動程序可使用cY7C68013開發(fā)包中提供的通用驅(qū)動程序，該程序可不加修改經(jīng)DDK編譯后直接使用。它是CypreSS公司為了方便用戶開發(fā)IJSB接口而提供的［7］。
4．3主機端應(yīng)用程序設(shè)計
系統(tǒng)中主機端應(yīng)用程序的主要任務(wù)是：從DsP中高速讀取信號采集處理后的數(shù)據(jù)，存儲，顯示處理結(jié)果，向DsP發(fā)送控制命令。應(yīng)用程序的開發(fā)使用了VC++6．0。由于EZ-USB FX2的開發(fā)板提供了主機端驅(qū)動程序，所以在進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時，可直接調(diào)用Win-dows API函數(shù)對win32子系統(tǒng)進(jìn)行Win32調(diào)用，實現(xiàn)對USB設(shè)備的I／O操作。
應(yīng)用程序在執(zhí)行時，首先使用CreateFile()來建'立與外設(shè)的連接，從而打開設(shè)備驅(qū)動程序，獲得設(shè)備句柄。如果createFile()函數(shù)返回成功，就可對設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，一般采用ReadF、ile、writeFile。然后根據(jù)該句柄調(diào)用DeviceIoConlml()來完成數(shù)據(jù)傳輸，Devi．celoControl()函數(shù)執(zhí)行返回后，數(shù)據(jù)放在計算機的緩
沖區(qū)，可以將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲。當(dāng)程序需要處理多個事務(wù)時，應(yīng)采用異步方式打開接口。FX2是多端點通信，但其本身只能準(zhǔn)雙工通信。兇此，采用異步通信方式能很好協(xié)調(diào)程序事務(wù)。
圖7是運用VC++6．O編寫的界面，用以存進(jìn)行USB調(diào)試時監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸情況。
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本系統(tǒng)采用高速DSP作為主控制器，通過對cY7C68013的軟硬件設(shè)計和DSP擴展I／O口的配置，實現(xiàn)了高速DSP系統(tǒng)的USB2．0接口，滿足了高速腦電信號數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)囊?。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，若在系統(tǒng)中使用更高頻率的DSP，可以實現(xiàn)更快的運算和傳輸。最終用于假肢裝置的控制信息源，實現(xiàn)靈活動作。
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