USB數據采集系統中DMA數據傳輸的實現

引言

USB通用串行總線(Universal Serial Bus)是被PC機廣泛采用的一種總線，目前已經在計算機主板上大量集成，成為一種標準配置接口。它的即插即用、真正的熱插拔、可總線供電、高性能和系統造價低等一系列的優(yōu)點，使得USB接口得到了廣泛的應用。特別是隨著USB2.0高速傳輸協議的出現，其數據傳輸速度達到了480Mb/s，使得USB接口方式的虛擬儀器系統成為今天低成本虛擬儀器系統的主流。本文設計了基于USB2.0高速傳輸的數據采集系統，整個數據傳輸過程完全采用DMA方式，達到了較高的數據傳輸速度。

1、系統介紹

系統總體結構如圖1所示。采用Philips公司的微控制器LPC2888作為系統核心控制器。前端數據采集模塊由一片CPLD實現對數據采集和觸發(fā)控制的功能。當系統和計算機成功連接進入工作狀態(tài)后，LPC2888從USB接口接收來自應用程序的控制命令，然后通過控制CPLD對數據采集模塊采樣通道、采樣速率和觸發(fā)模式進行配置后啟動數據采集。CPLD控制模數轉換器獲取采樣數據，同時配合LPC2888通用DMA控制器的接口時序將采樣數據以DMA方式傳輸到LPC2888內部緩存。最后由USB高速設備接口將采樣數據從LPC2888內部緩存?zhèn)鬏數接嬎銠C，在計算機中實現數據記錄、數據處理和波形顯示等功能。

圖1 系統總體結構圖

1.1 LPC2888微控制器

LPC2888是一款基于ARM7TDMI內核的微控制器，帶有8kB高速緩存，最高工作時鐘頻率60MHz。在結構上增加了多通道通用DMA控制器(GPDMA)。它支持存儲器到存儲器，存儲器到外設，外設到存儲器和外設到外設的DMA傳輸。本系統采用GPDMA控制器實現數據從前端數據采集模塊到內部緩存的DMA傳輸。同時，LPC2888集成有USB高速設備控制器。它完全兼容USB2.0協議，支持USB高速傳輸，理論最高傳輸速度480Mb/s，其內部結構如圖2所示。USB設備控制器直接掛接在LPC2888系統內部核心總線AHB上，可以方便地與ARM控制器內核及外部存儲器交換數據。其內部包含一個DMA引擎，當USB接口運行在DMA模式時，DMA引擎作為AHB總線上的主機，在ARM內部緩存和USB設備控制器緩存之間傳遞數據，傳輸過程不需要控制器內核程序的參與，所以能夠達到較高的數據傳輸速度。

圖2 USB高速設備控制器內部結構圖

1.2 數據采集模塊

數據采集模塊主要由信號調理電路、模數轉換電路、觸發(fā)控制電路和CPLD構成。模數轉換器采用美國模擬器件公司(ADI)推出的快速12位雙通道模數轉換器AD9238。單雙通道選擇和采樣頻率控制通過CPLD控制邏輯來實現。

2、數據傳輸過程DMA方式的設計與實現

系統中數據傳輸過程包含兩個環(huán)節(jié)，一個是從CPLD到LPC2888內部緩存，另一個是從LPC2888內部緩存通過USB接口到計算機。兩個環(huán)節(jié)都采用DMA方式傳輸數據，兩個環(huán)節(jié)之間的協調通過GPDMA控制器產生的半滿、全滿中斷來實現。整個數據傳輸過程完全采用DMA的傳輸方式，從而可以消除因微控制器固件程序執(zhí)行較慢而造成的對數據傳輸速度的影響。

2.1 從CPLD到LPC2888內部緩存的DMA傳輸

CPLD從AD9238獲得兩個12位的轉換結果，經過位數變換后送到32位的數據信號線。數據信號線直接連接到LPC2888的P0口(32位)。由于CPLD內部沒有數據緩存過程，所以為了保證不丟失采樣點，從CPLD到LPC2888內部緩存的DMA傳輸必須保證連續(xù)性和實時性。為此，系統采取了如下解決方案：

1) 在LPC2888內部RAM中開辟兩塊相同大小的緩存空間：buffer1和buffer2。將通用DMA控制器的通道3和通道5分別配置為從P0口到buffer1和buffer2的DMA通道。

2) 配置DMA通道3和通道5為外部信號控制模式，由CPLD作為DMA數據傳輸過程的主機。

3) DMA通道3和通道5采用交替工作的方式，由CPLD控制邏輯實現。

CPLD與LPC2888之間的硬件連接如圖3所示。其中DMAEn是DMA通道的外部使能控制信號，其上升沿啟動一次DMA操作。DMAReq是DMA數據同步信號，該信號控制數據節(jié)拍，每次DMA操作傳輸4096個數據。IO口P2.0和P2.1分別為啟動停止和采樣模式選擇控制信號線，實現LPC2888對CPLD的控制。系統采用Verilog HDL語言描述CPLD控制邏輯，從CPLD到LPC2888內部緩存的DMA傳輸時序如圖4所示。

圖3 CPLD與ARM接口

圖4 GPDMA傳輸時序圖

2.2 USB高速設備接口的DMA傳輸

USB高速設備控制器支持16個物理端點，其中4個端點支持DMA方式。本設計中選用三個端點：EP0、EP2和EP3。控制端點EP0工作在控制傳輸模式，用于接收USB主機的SETUP令牌包、響應主機的標準設備請求、完成USB設備的枚舉過程。EP2配置為OUT(輸出)模式，用于接收來自應用程序的控制命令。EP3配置為IN(輸入)模式，采用批量傳輸工作方式，負責將采樣結果傳輸到PC機。從LPC2888內部緩存到計算機的DMA傳輸由USB高速設備控制器內部的DMA引擎和EP3批量傳輸配合完成。為了達到較高的數據傳輸速度，EP3批量傳輸采用自動傳輸模式。DMA引擎將LPC2888內部緩存數據傳輸到USB設備控制器內部FIFO緩存中，當FIFO獲得的數據達到設定的大小時將自動封包由EP3傳輸到PC機。同時，當FIFO中數據為空時，控制器將自動啟動DMA引擎繼續(xù)傳輸數據。該環(huán)節(jié)的DMA傳輸過程完全由USB高速設備控制器硬件實現，程序中只需更改DMA源地址寄存器并設置使能控制寄存器即可啟動一次DMA傳輸。

2.3 兩個DMA傳輸環(huán)節(jié)的協調