ADSP-TS101的USB 2.0接口擴展

　　1 引 言

　　現(xiàn)代信號處理系統(tǒng)通常涉及到上位機與信號處理機之間的數(shù)據(jù)通訊，如何建立信號處理機與上位機的通訊接口成為系統(tǒng)設(shè)計中必須解決的一個問題。通常情況下，對于數(shù)據(jù)傳輸速度要求不太高的應(yīng)用，可以使用普通串行口作為通訊鏈路。在本系統(tǒng)中，由于采用多片高性能浮點數(shù)字信號處理器ADSP-TS101作為處理器，產(chǎn)生了大量的處理結(jié)果，并且要求實時傳輸處理結(jié)果，傳輸速度必須達(dá)到1 MB/s，因此普通的串行通訊口已經(jīng)不能滿足要求。若采用PCI接口，雖然在速度上可以滿足要求，但需要單獨在上位機占用一個PCI插槽，另外由于系統(tǒng)還有其他模塊需要與信號處理機進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，因此在供電設(shè)計、系統(tǒng)中模塊間的連接布線、開發(fā)調(diào)試中都存在一定的困難，在使用中也會因為其不具備熱插拔功能而相對繁瑣?？紤]到這些因素，選擇USB 2.0接口作為通訊鏈路，因為其具有傳輸速度高、使用簡單、成本低廉的優(yōu)點。

　　USB(Universal Serial Bus)是一種通用串行總線，由COMPAQ，InteI，Microsoft和NEC等公司共同開發(fā)，并成為標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)今已廣泛運用于各種數(shù)字系統(tǒng)中。USB總線具有用戶使用方便、成本低廉、易于與PC接口、支持熱插拔、傳輸速度高、易于升級等優(yōu)點。USB 2.0的最高傳輸速率可達(dá)480 Mb/s，比一般的串口快1 000倍以上。

　　USB總線主要包括主機和設(shè)備、物理構(gòu)成、邏輯構(gòu)成以及客戶軟件與設(shè)備功能接口的關(guān)系4個部分，圖1展示了USB總線組成關(guān)系。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖2為本文所論及的信號處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。在本系統(tǒng)中，上位機將設(shè)置好的參數(shù)發(fā)送給信號處理機，由信號處理機將參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給系統(tǒng)其他模塊，并根據(jù)此參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的信號處理，最后再將處理結(jié)果傳回上位機。

　　2.2 ISP1581簡介

　　ISP1581是Philips公司的一款高性價比的USB 2.0接口芯片。他完全遵循USB 2.0規(guī)范，支持7個IN端點，7個OUT端點和一個固定控制IN/OUT端點。ISP1581支持USB 2.0的自檢工作模式和USB 1.1的返回工作模式，可以在高速或全速條件下正常運行。內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)，PIE，8 kB的FIFO存儲器，數(shù)據(jù)收發(fā)器，PLL的12 MHz晶體振蕩器和3.3 V的電壓調(diào)整器。同時，可通過軟件控制與USB總線的連接。

　　2.3 硬件電路設(shè)計

　　由ADSP-TS101和ISP1581構(gòu)成的USB 2.0接口電路如圖3所示。其中ADSP-TS101在系統(tǒng)中同時完成信號處理和充當(dāng)微控制器完成對ISP1581的控制。ADSP-TS101和ISP1581以通用總線的方式連接，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分離的方式。ISP1581的片選信號連接到ADSP-TS101的MS0，映射到ADSP-TS101的地址空間為0X8000000～0X80000FF，TS101通過對這些地址上的寄存器進(jìn)行讀寫來控制ISP1581，完成與上位機的USB傳輸。ISP1581的中斷輸出引腳連接到ADSP-TS101的中斷請求輸入引腳IRQ2，通過中斷方式與DSP通訊。ISP1581的復(fù)位可通過硬件和軟件觸發(fā)，硬件復(fù)位引腳連接到系統(tǒng)復(fù)位信號，系統(tǒng)上電復(fù)位或熱復(fù)位時同時復(fù)位ISP1581。

　　3 固件程序設(shè)計

　　由于ISP158l本身沒有集成的微控器，固件程序?qū)⒃赥S101中運行。固件程序在結(jié)構(gòu)上采用中斷驅(qū)動方式，TS101通常情況下在自身的運算任務(wù)下運行，當(dāng)上位機有通訊請求時，通過中斷方式通知TSl01。在TSl01的中斷服務(wù)程序中，通過讀ISPl581的內(nèi)部寄存器判斷具體的請求類型，然后設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。從程序的實現(xiàn)方式來說，固件程序主要就是一系列請求函數(shù)的集合，主要包括實現(xiàn)設(shè)備枚舉的標(biāo)準(zhǔn)請求和與具體應(yīng)用相關(guān)的廠商請求，不同的請求根據(jù)建立包中的數(shù)據(jù)來區(qū)分，固件程序的主要流程圖如圖4所示。

　　3.1 ISPl581的初始化

　　為兼容USB 1.1接口，器件初始配置為全速模式，若上位機支持USB 2.0接口，可在設(shè)備枚舉的過程中更改為高速模式。器件支持7個IN和7個OUT端點，分別可以配置成為中斷方式、同步方式和批量方式，其中批量方式適合高速的數(shù)據(jù)傳輸要求，中斷方式可以用于命令數(shù)據(jù)的傳輸。在此雷達(dá)系統(tǒng)中，為滿足應(yīng)用要求，共配置2個批量輸出端點用于處理結(jié)果傳輸、1個中斷輸出端點用于命令響應(yīng)和1個中斷輸入端點用于接收命令，其他的端點保留不用。

　　3.2 設(shè)備枚舉

　　USB設(shè)備的枚舉至關(guān)重要，直接影響到設(shè)計的成功與否，這需要嚴(yán)格依據(jù)USB 2.0協(xié)議規(guī)范來設(shè)計。這部分程序主要由一系列標(biāo)準(zhǔn)請求函數(shù)構(gòu)成，在USB任務(wù)處理中被調(diào)用，主要包括獲取設(shè)備描述符、設(shè)置設(shè)備地址、配置設(shè)備、配置端點等。USB設(shè)備的枚舉一般按照如下步驟進(jìn)行：

　　(1)設(shè)備連接，總線復(fù)位，ISP1581將發(fā)送高速(HS)模式檢測信號，若接收到一個高速(HS)握手信號，則將轉(zhuǎn)換到高速(HS)狀態(tài)，否則仍工作在全速(FS)狀態(tài);

　　(2)通過默認(rèn)地址0獲取設(shè)備描述符;

　　(3)給設(shè)備分配惟一的地址;

　　(4)通過分配的地址重新獲取設(shè)備描述符;

　　(5)獲取配置描述符;

　　(6)獲取設(shè)備描述符集合，包括配置描述符、接口描述符、端點描述符;

　　(7)若為第一次連接則提示找到新硬件，要求安裝驅(qū)動程序，否則根據(jù)設(shè)備描述符加載設(shè)備驅(qū)動程序;

　　(8)配置設(shè)備，至此設(shè)備枚舉完成。

　　3.3 廠商請求

　　本應(yīng)用中的廠商請求主要包括發(fā)送控制命令和讀取處理結(jié)果。由于控制命令的數(shù)據(jù)量很小，故采用中斷方式進(jìn)行傳輸，而處理結(jié)果數(shù)據(jù)量較大，為提高傳輸速度，采用批量傳輸方式傳輸。為防止數(shù)據(jù)異常更新，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)采用乒乓緩沖方式，USB發(fā)送完成某個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)前，信號處理的結(jié)果只能存放在另一緩沖區(qū)中。圖5為控制命令-設(shè)置模式字的廠商請求處理流程圖。

　　4 驅(qū)動程序

　　驅(qū)動程序用于處理底層通信細(xì)節(jié)，實現(xiàn)具體的通信協(xié)議，為應(yīng)用程序提供透明的傳輸接口。USB設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計是基于WDM(Windows Driver Model，Windows驅(qū)動模型)的。WDM采用分層驅(qū)動程序模型，對于USB設(shè)備來說，可以分為USB總線驅(qū)動程序和USB功能驅(qū)動程序。USB總線驅(qū)動程序是由操作系統(tǒng)提供，USB功能驅(qū)動程序是由設(shè)備開發(fā)者編寫的，他位于USB總線驅(qū)動程序的上面，通過向USB總線驅(qū)動程序發(fā)送IRP(I/O Re-quest Packet，I/O請求包)，來實現(xiàn)對USB設(shè)備信息的發(fā)送與接收。

　　USB設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)工具有Windows DDK，KRFTech公司的WinDriver，Compuware公司的DriverWorks等。其中WinDriver使用簡單，開發(fā)者幾乎不需要編寫任何代碼即可為開發(fā)的設(shè)備生成可用的驅(qū)動程序。為縮短開發(fā)周期，設(shè)備驅(qū)動程序用WinDriver開發(fā)，并用InstallShield為驅(qū)動程序制作了單一的安裝包，以方便用戶安裝使用。

　　5 設(shè)備調(diào)試中遇到的問題及解決辦法

　　在USB設(shè)備的開發(fā)過程中，設(shè)備的調(diào)試工作一個重點和難點，下面針對ISP1581，對在調(diào)試過程中可能遇到的問題做出簡要的說明。

　　(1)處理器不能正常讀寫ISP1581內(nèi)部的寄存器。

　　出現(xiàn)此問題的可能原因主要有兩個：第一，ISP1581的時鐘信號不穩(wěn)定，ISP1581需要穩(wěn)定的12 MHz時鐘頻率;第二，ISPl581上電復(fù)位不正常，可以在程序起始位置，重新復(fù)位ISPl581，延時20 ms后再對ISP1581進(jìn)行操作。

　　(2)連接設(shè)備后，上位機提示“不可識別的USB設(shè)備”。

　　出現(xiàn)此提示，說明ISP1581已經(jīng)設(shè)置好軟連接，真正與上位機連接，但是由于沒有正確響應(yīng)上位機的請求，導(dǎo)致枚舉失敗，上位機不能正確識別USB設(shè)備。要解決此問題，最好使用調(diào)試工具來輔助，例如bushound等。運行該軟件，分析USB總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，觀察USB設(shè)備與上位機的請求與響應(yīng)狀態(tài)以及響應(yīng)的具體內(nèi)容，與標(biāo)準(zhǔn)的USB枚舉過程進(jìn)行比對，從而查出問題所在。

　　(3)設(shè)備枚舉成功，且正常加載驅(qū)動，但是無法對USB設(shè)備進(jìn)行讀寫操作。

　　導(dǎo)致此問題可能是固件程序、驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序的問題。應(yīng)先排除應(yīng)用程序和驅(qū)動程序的問題，使用WinDriver重新生成設(shè)備的驅(qū)動程序，并根據(jù)WinDriver提供的例程和API函數(shù)手冊，仔細(xì)檢查應(yīng)用程序。固件程序故障的排除相對復(fù)雜，可利用WinDriver提供的端點測試工具，結(jié)合合理的固件程序斷點設(shè)置，按照USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒?，逐級檢查。

　　USB設(shè)備的調(diào)試是一個復(fù)雜的過程，需要清楚地了解USB設(shè)備的枚舉過程和USB數(shù)據(jù)傳輸過程，通過細(xì)心的檢查找出問題所在，才能將問題根本解決。

　　6 結(jié) 語

　　本設(shè)計通過為ADSP-TSl01擴展USB接口，實現(xiàn)了信號處理機與上位機的USB 2.0接口，并在實際使用中取得了良好的效果，實際傳輸速度大于1.2 MB/s。設(shè)計中，ISP1581通過通用總線方式與TS101連接，如果希望取得更高的傳輸速度，可以考慮采用ISP1581的DMA模式。USB 2.0接口性能優(yōu)越，使用簡單，成本低廉，在計算機與外設(shè)的互聯(lián)中得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為計算機與外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，因此USB接口的設(shè)計在實際應(yīng)用中具有重要的地位和意義。