基于USB的數(shù)字掃頻儀測控接口設(shè)計(jì)

在電子測量中，經(jīng)常需要對網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性和阻抗特性進(jìn)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(kuò)展的缺點(diǎn)，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(shè)計(jì)基礎(chǔ)

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(shè)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(dòng)作以及完成控制目的。接口是主控器和測量設(shè)備及執(zhí)行單元的通道，人機(jī)界面是系統(tǒng)和用戶進(jìn)行信息交換的媒介。

1.2 USB2.0接口技術(shù)

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

1.3 掃頻儀與計(jì)算機(jī)的連接

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字掃頻儀的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，在數(shù)字掃頻儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行了USB測控接口的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要增添了兩個(gè)功能：一個(gè)是計(jì)算機(jī)控制掃頻儀，實(shí)現(xiàn)掃頻儀測量結(jié)果的在線分析、顯示和存儲(chǔ);另一個(gè)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(chǔ)到U盤中并可以調(diào)用U盤中的數(shù)據(jù)。USB系統(tǒng)包含USB主機(jī)，USB設(shè)備和USB連接3部分。當(dāng)計(jì)算機(jī)控制數(shù)字掃頻儀時(shí)，由掃頻儀、USB主控芯片CH376及計(jì)算機(jī)組成一個(gè)USB系統(tǒng)，此時(shí)計(jì)算機(jī)為USB主機(jī)，掃頻儀為USB設(shè)備。當(dāng)掃頻儀讀寫U盤時(shí)，由掃頻儀、USB主控芯片CH376以及U盤組成一個(gè)USB系統(tǒng)，此時(shí)掃頻儀為主機(jī)，U盤為USB設(shè)備。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 掃頻儀測控接口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)是在原有數(shù)字掃頻儀的基礎(chǔ)上，通過掃頻儀的微處理器ADSP-BF532內(nèi)置的SPORT1口與USB控制芯片進(jìn)行通信。通過USB控制芯片將掃頻儀設(shè)置成主機(jī)模式時(shí)，將U盤作為設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)掃頻儀主控U盤;USB控制芯片將掃頻儀設(shè)置成從模式時(shí)，則計(jì)算機(jī)作為主控設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制掃頻儀，整體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 處理器模塊設(shè)計(jì)

Blackfin532有兩個(gè)相同的高速串口SPORT0和SPORT1，這兩個(gè)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(shí)，從內(nèi)部寄存器寫到SPORT口的存儲(chǔ)器映射寄存器SPORTx_TX中。根據(jù)選擇，此數(shù)據(jù)可由硬件進(jìn)行壓擴(kuò)后自動(dòng)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(shí)，SPORT的接收部分從DR接收數(shù)據(jù)，接收一個(gè)完整的字后，數(shù)據(jù)展開并自動(dòng)傳送到SPORT的存儲(chǔ)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(shí)都要有同步時(shí)鐘。

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

ADSP—BF532需外接一片F(xiàn)lash作為它的程序存儲(chǔ)器。ADSP—BF532的異步程序存儲(chǔ)控制器可達(dá)4MB尋址空間?？梢酝ㄟ^使用AMS信號進(jìn)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(chǔ)器時(shí)序以及Flash手冊提供的讀寫時(shí)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(shè)計(jì)

CH376是文件系統(tǒng)管理芯片，其支持USB主機(jī)模式和USB設(shè)備模式，即可配置成主模式和從模式。主模式時(shí)，數(shù)字合成掃頻儀成為主機(jī)，U盤為USB設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)掃頻儀讀寫U盤的功能。從模式的時(shí)候計(jì)算機(jī)為主機(jī)，數(shù)字掃頻儀為USB設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)主控掃頻儀的功能。

設(shè)計(jì)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(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shè)備的電流;C50主要用于減少在USB設(shè)備剛插入時(shí)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(jìn)行連接，分別是SDO、SDI、SCK、SCS、中斷ACT#和復(fù)位RST1。

3 測控分析軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包含掃頻儀讀寫U盤軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)主控掃頻儀軟件設(shè)計(jì)兩部分。通常，微處理器主控U盤的軟件模型如圖5所示。設(shè)計(jì)應(yīng)包括圖5中左半部分的4個(gè)層次結(jié)構(gòu)和測控軟件設(shè)計(jì)，由于USB芯片CH376設(shè)計(jì)完善，功能強(qiáng)大，其不僅有一個(gè)通用USB—HOST接口芯片，且內(nèi)置了相關(guān)的底層傳輸、FAT文件系統(tǒng)管理等固件，所以只需編寫應(yīng)用層的APT函數(shù)和測控軟件。API函數(shù)的設(shè)計(jì)主要編寫的是讀寫U盤的基本函數(shù)，實(shí)現(xiàn)掃頻儀和U盤的通信;測控軟件設(shè)計(jì)主要編寫掃頻儀對U盤的具體控制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)掃頻儀對U盤的控制。

計(jì)算機(jī)主控掃頻儀的軟件設(shè)計(jì)分為4部分：ADSP—BF532的本地程序;設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是提供硬件連接到計(jì)算機(jī)上的軟件接口，CH376的廠商提供了驅(qū)動(dòng)程序;計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的數(shù)字掃頻儀的測控軟件程序;驅(qū)動(dòng)程序和測控程序之間通訊必須使用的動(dòng)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(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、API和DLL的設(shè)計(jì)是掃頻儀的通道設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和掃頻儀數(shù)據(jù)交換;BF532的本地程序設(shè)計(jì)和測控程序設(shè)計(jì)是測控分析設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)主要可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(xiǎn)盤，同時(shí)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(jì)算機(jī)主控掃頻儀。

首先選擇被測網(wǎng)絡(luò)，該被測網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)帶通網(wǎng)絡(luò)。然后設(shè)置掃頻儀的頻率參數(shù)，中心頻率設(shè)置為10.7 MHz，帶寬設(shè)置為100 kHz。掃頻儀將測量到的該網(wǎng)絡(luò)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(shè)置菜單中的U盤選項(xiàng)，如圖8所示。進(jìn)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(xiǎn)盤。經(jīng)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(jī)上調(diào)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(shí)現(xiàn)了掃頻儀和U盤的通信。

4.2 上位機(jī)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)主控掃頻儀。打開上位機(jī)軟件，按下開始連接按鈕，并通過上位機(jī)設(shè)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(shè)置中心頻率為10.75 MHz，帶寬為200 MHz，兩次接收數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，用戶通過上位機(jī)軟件設(shè)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(jìn)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(yīng)了計(jì)算機(jī)給其發(fā)出的命令，計(jì)算機(jī)也接收到了掃頻發(fā)來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)主控掃頻儀的功能。