基于USB的數(shù)字掃頻儀測控接口設計

在電子測量中，經常需要對網絡的傳輸特性和阻抗特性進行測量，用于測量傳輸特性的儀器被稱為頻率特性測試儀，簡稱掃頻儀。過去，數(shù)字掃頻儀的主要接口總線是PCI、RS232和并行總線等。這些接口總線均只支持一種模式，而發(fā)展趨勢是支持主從兩種模式。且其還存在不支持熱插拔、難以擴展的缺點，給掃頻儀的使用帶來不便。USB接口總線的出現(xiàn)解決了這些問題。

1 掃頻儀測控接口設計基礎

1.1 數(shù)字掃頻儀的測控原理

測控系統(tǒng)的組成如圖1示。測量設備的主要作用是向主控制器輸入數(shù)據(jù)。執(zhí)行單元是接收主控器的控制信號、輸出動作以及完成控制目的。接口是主控器和測量設備及執(zhí)行單元的通道，人機界面是系統(tǒng)和用戶進行信息交換的媒介。

1.2 USB2.0接口技術

一個USB2.0系統(tǒng)主要由3部分構成：USB主機、USB連接和USB設備。對于開發(fā)人員來說這種USB系統(tǒng)被分為3個邏輯層，即功能層、USB設備層和USB總線接口層。每層均由主機和USB設備的不同功能模塊組成。

1.3 掃頻儀與計算機的連接

為實現(xiàn)數(shù)字掃頻儀的智能化和網絡化，在數(shù)字掃頻儀的基礎上進行了USB測控接口的設計。該設計主要增添了兩個功能：一個是計算機控制掃頻儀，實現(xiàn)掃頻儀測量結果的在線分析、顯示和存儲;另一個是掃頻儀讀寫U盤，將測量數(shù)據(jù)以及測量的頻率信息以文件的形式存儲到U盤中并可以調用U盤中的數(shù)據(jù)。USB系統(tǒng)包含USB主機，USB設備和USB連接3部分。當計算機控制數(shù)字掃頻儀時，由掃頻儀、USB主控芯片CH376及計算機組成一個USB系統(tǒng)，此時計算機為USB主機，掃頻儀為USB設備。當掃頻儀讀寫U盤時，由掃頻儀、USB主控芯片CH376以及U盤組成一個USB系統(tǒng)，此時掃頻儀為主機，U盤為USB設備。

2 硬件電路設計

2.1 掃頻儀測控接口設計

設計是在原有數(shù)字掃頻儀的基礎上，通過掃頻儀的微處理器ADSP-BF532內置的SPORT1口與USB控制芯片進行通信。通過USB控制芯片將掃頻儀設置成主機模式時，將U盤作為設備，可實現(xiàn)掃頻儀主控U盤;USB控制芯片將掃頻儀設置成從模式時，則計算機作為主控設備，可實現(xiàn)計算機控制掃頻儀，整體電路設計如圖2所示。

2.2 處理器模塊設計

Blackfin532有兩個相同的高速串口SPORT0和SPORT1，這兩個串口支持各種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。SPORT口包含接收和發(fā)送寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)時，從內部寄存器寫到SPORT口的存儲器映射寄存器SPORTx_TX中。根據(jù)選擇，此數(shù)據(jù)可由硬件進行壓擴后自動傳送到移位寄存器，移位寄存器的位從SPORT口的DT引腳移出，最高位在前或最低位在前均可。接收數(shù)據(jù)時，SPORT的接收部分從DR接收數(shù)據(jù)，接收一個完整的字后，數(shù)據(jù)展開并自動傳送到SPORT的存儲器映射寄存器SPORTx_TX中。該寄存器可被處理器訪問，發(fā)送和接收時都要有同步時鐘。

BF532的時鐘可分為兩種：一個是系統(tǒng)時鐘;另一個是實時時鐘。系統(tǒng)時鐘經內部PLL倍頻后為DSP提供核時鐘和片上外設時鐘。BF532和CH376的傳輸過程中需要的時鐘信號就是由DSP的系統(tǒng)時鐘進行分頻得到的，最大能達到系統(tǒng)時鐘的1/2。該時鐘電路內部集成高增益反相，所以只要外接一個無源晶振，系統(tǒng)時鐘選用27 MHz無源晶振，并聯(lián)諧振電容到地即可。實時時鐘通過外接一個32.768 kHz的時鐘源，經過內部分頻后，可產生秒信號時鐘。

ADSP—BF532需外接一片F(xiàn)lash作為它的程序存儲器。ADSP—BF532的異步程序存儲控制器可達4MB尋址空間?？梢酝ㄟ^使用AMS信號進行分頁操作，一共可分為4頁，每頁1MB。根據(jù)DSP手冊給出的程序存儲器時序以及Flash手冊提供的讀寫時序，將DSP的AMSO、AWE、AOE信號以及數(shù)據(jù)和地址總線分別連接到Flash的WE#、CE#、OE#以及數(shù)據(jù)和地址總線，即可滿足Flash的讀寫。

2.3 USB主控模塊設計

CH376是文件系統(tǒng)管理芯片，其支持USB主機模式和USB設備模式，即可配置成主模式和從模式。主模式時，數(shù)字合成掃頻儀成為主機，U盤為USB設備，可實現(xiàn)掃頻儀讀寫U盤的功能。從模式的時候計算機為主機，數(shù)字掃頻儀為USB設備，可以實現(xiàn)計算機主控掃頻儀的功能。

設計CH376的外圍電路，首先需將CH376配置成SPI串行通行方式，必須將RD#和WR#接GND，并將其余不用的引腳懸空。電容C4用于內部電源節(jié)點退耦，從而降低USB傳輸過程中的EMI;晶體X1是振蕩電路，用于向CH376提供系統(tǒng)時鐘信號，該晶振要求是12 MHz;P50A是USB端口;電阻R20用于限制輸出給外部USB設備的電流;C50主要用于減少在USB設備剛插入時的電源電壓紋波;ACT#連接的LED燈可起到指示作用。

圖4給出了CH376和BF532的具體連接電路。CH376在SPI模式下有6根信號線需要進行連接，分別是SDO、SDI、SCK、SCS、中斷ACT#和復位RST1。

3 測控分析軟件設計

軟件設計主要包含掃頻儀讀寫U盤軟件設計和計算機主控掃頻儀軟件設計兩部分。通常，微處理器主控U盤的軟件模型如圖5所示。設計應包括圖5中左半部分的4個層次結構和測控軟件設計，由于USB芯片CH376設計完善，功能強大，其不僅有一個通用USB—HOST接口芯片，且內置了相關的底層傳輸、FAT文件系統(tǒng)管理等固件，所以只需編寫應用層的APT函數(shù)和測控軟件。API函數(shù)的設計主要編寫的是讀寫U盤的基本函數(shù)，實現(xiàn)掃頻儀和U盤的通信;測控軟件設計主要編寫掃頻儀對U盤的具體控制函數(shù)，實現(xiàn)掃頻儀對U盤的控制。

計算機主控掃頻儀的軟件設計分為4部分：ADSP—BF532的本地程序;設備驅動程序，設備驅動程序是提供硬件連接到計算機上的軟件接口，CH376的廠商提供了驅動程序;計算機上運行的數(shù)字掃頻儀的測控軟件程序;驅動程序和測控程序之間通訊必須使用的動態(tài)連接庫，即DLL。軟件開發(fā)模型如圖6所示。

BF532的本地程序設計、驅動程序設計、API和DLL的設計是掃頻儀的通道設計，可實現(xiàn)計算機和掃頻儀數(shù)據(jù)交換;BF532的本地程序設計和測控程序設計是測控分析設計，實現(xiàn)計算機和掃頻儀之間的控制、解析和處理功能。數(shù)字掃頻儀測控接口軟件設計流程如圖7所示。

4 系統(tǒng)功能測試

本文基于USB的掃頻儀測控接口設計主要可實現(xiàn)兩個功能：一是掃頻儀讀寫U盤，將掃頻儀測量的幅頻特性和相頻特性數(shù)據(jù)以文件的形式寫入U盤，同時掃頻儀也可以將U盤中文件數(shù)據(jù)讀入到掃頻儀;二是計算機主控掃頻儀。

首先選擇被測網絡，該被測網絡是一個帶通網絡。然后設置掃頻儀的頻率參數(shù)，中心頻率設置為10.7 MHz，帶寬設置為100 kHz。掃頻儀將測量到的該網絡的幅頻特性曲線和相頻特性曲線顯示在LCD屏上，如圖8所示。

4.1 U盤測試

按下掃頻儀的接口設置菜單中的U盤選項，如圖8所示。進入讀寫U盤的下級菜單，在下級菜單中按下寫U盤的按鍵，便可將數(shù)據(jù)以文件的形式寫入U盤。經測試，成功創(chuàng)建swe ep.dat文件，并寫入了包含幅頻信息和相頻信息的數(shù)據(jù)。由于dat文件可在上位機上調用，并繪制幅頻和相頻的曲線，其顯示出來的曲線如圖9所示，與掃頻儀LCD屏上顯示的曲線相同，實現(xiàn)了掃頻儀和U盤的通信。

4.2 上位機的測試

將掃頻儀通過USB線接到電腦上，然后按下掃頻儀接口菜單的USB按鍵，此時可以實現(xiàn)計算機主控掃頻儀。打開上位機軟件，按下開始連接按鈕，并通過上位機設置掃頻儀的中心頻率為10.7 MHz，帶寬為100 kHz。然后按下接收數(shù)據(jù)按鈕，接收數(shù)據(jù)，然后變換參數(shù)，設置中心頻率為10.75 MHz，帶寬為200 MHz，兩次接收數(shù)據(jù)結果如圖10所示。

由圖10可知，用戶通過上位機軟件設置不同的頻率參數(shù)后，接收到的曲線不同，將圖10和圖8進行對比，表明兩次接收到的數(shù)據(jù)是正確的。說明掃頻儀響應了計算機給其發(fā)出的命令，計算機也接收到了掃頻發(fā)來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了計算機主控掃頻儀的功能。