基于DSP CPLD信號(hào)采集系統(tǒng)通訊接口設(shè)計(jì)

0．引言

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)理論的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展也是日新月異。不僅執(zhí) 行指令速度越來(lái)越快，而且其功耗也越來(lái)越低。許多儀器或檢測(cè)設(shè)備都不約而同地將DSP 應(yīng)用到那些數(shù)據(jù)量龐大而且需實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。核信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也不例外，利用 DSP 可以實(shí)時(shí)有效地處理采集的信號(hào)，并將處理數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。通常 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下位機(jī)與上位機(jī)的通訊采用串口方式，這種方式不僅協(xié)議簡(jiǎn)單，而且連接方便。

但是這種方式的數(shù)據(jù)傳送速率不高，而USB 總線接口具有方便快捷、支持即插即用、可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊等優(yōu)點(diǎn),在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。USB 總線接口在USB1.1 協(xié)議下傳輸速率可達(dá)12Mbps ,USB2.0 協(xié)議下可達(dá)480Mbps ,完全可以滿足目前的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)對(duì)于 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸速率越來(lái)越高的要求。因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中其通訊方式采用USB（Universal Serial Bus）總線接口方式。 USB 控制芯片采用Cypress 公司EZ-USB SX2 系列的CY7C68001 控制芯片，DSP 選用TI 公司的定點(diǎn)DSP 芯片TMS320VC5502。

1．CY7C68001USB 控制芯片介紹

CY7C68001 是由美國(guó)Cypress 公司開(kāi)發(fā)的高速USB 芯片，支持USB2.0 協(xié)議。其內(nèi)部 集成有USB 收發(fā)器（物理層）、USB 串行接口引擎SIE（鏈路層，實(shí)現(xiàn)底層通信協(xié)議）、4KB的FIFO 以及電壓調(diào)節(jié)器、鎖相環(huán)；可工作于全速（12Mb/s）和高速(480Mb/s)兩種傳輸模式， 支持8 位和16 位數(shù)據(jù)總線方式，具有同步和異步的FIFO 接口。CY7C68001 被用來(lái)與DSP、 ASIC、FPGA 等控制器連接實(shí)現(xiàn)USB 的功能，其內(nèi)部不含微控制器。同時(shí)CY7C68001 提供4 種傳輸方式（控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸），可滿足用戶(hù)對(duì)各種傳輸方式的要求。由于該控制芯片內(nèi)不含微控制器，USB 的應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)該由DSP 編程實(shí)現(xiàn),USB 固件的加載必須靠DSP 控制CY7C68001 完成。

2．通訊接口系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)采集系統(tǒng)包括的部分有傳感器信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、FIFO 數(shù)據(jù)緩沖單元、 DSP 控制器、FLASH 程序存儲(chǔ)單元、CPLD 邏輯控制單元、與上位機(jī)連接的USB 通訊單元。 其中與PC 機(jī)通訊的USB 單元硬件接口框圖如下圖所示。

圖 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PC 機(jī)通訊的硬件接口框圖

由圖 1 可以看出，通訊部分主要由CY7C68001 USB 控制器、CPLD 邏輯單元、E2PROM、 TMS320VC5502 組成。由于整個(gè)系統(tǒng)所需的器件數(shù)目較多，由此帶來(lái)的邏輯控制較為復(fù)雜， 而DSP 的I/O 接口有限，故在系統(tǒng)中加入了CPLD 邏輯控制單元，用于產(chǎn)生電路中需要的 邏輯狀態(tài)。同時(shí)用CPLD 中還實(shí)現(xiàn)了寄存器功能，這部分寄存器用于表征USB 通訊時(shí)各種狀態(tài)信息，便于DSP 查詢(xún)。

CY7C68001 USB 控制器與TMS320VC5502 采用EMIF 連接方式，并將USB 控制器中 的存儲(chǔ)器配置到CE1 空間。同時(shí)采用異步讀寫(xiě)方式完成TMS320VC5502 與CY7C68001 之 間的數(shù)據(jù)和命令交換。系統(tǒng)中E2PROM 的作用是完成USB 控制器的描述表自舉。CY7C68001 控制器的自舉方式有兩種：EEPROM 和微控制器，本系統(tǒng)采用EEPROM 方式。

3．通訊接口系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)端軟件的功能主要是完成下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)的接收、顯示、分析等。由于信號(hào)采集的 數(shù)據(jù)量較大，所以在USB 傳輸方式上采用批量傳輸方式。 主機(jī)端軟件的設(shè)計(jì)包含3 個(gè)方面：

（1）USB 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB 驅(qū)動(dòng)程序的功能主要是實(shí)現(xiàn)USB 發(fā)現(xiàn)、配置、關(guān)閉以及數(shù)據(jù)的傳送接口控制。 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是基于WDM (Windows driver model ，驅(qū)動(dòng)程序模型)的。WDM 采用分層驅(qū)動(dòng)程序模型，分為較高級(jí)的USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和較低級(jí)的USB 函數(shù)層。其中 USB 函數(shù)層由兩部分組成：較高級(jí)的通用串行總線模塊(US-BD)和較低級(jí)的主控制器驅(qū)動(dòng)程 序模塊(HCD)。在上述USB 分層模塊中，USB 函數(shù)層由操作系統(tǒng)提供，負(fù)責(zé)管理USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和USB 控制器之間的通信、加載及卸載USB 驅(qū)動(dòng)程序，與USB 設(shè)備通用端點(diǎn)建立通信來(lái)執(zhí)行設(shè)備配置、數(shù)據(jù)與USB 協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務(wù)。

（2）安裝USB 的信息文件（.inf）

這一步用于將驅(qū)動(dòng)程序綁定到特定設(shè)備的Verdor ID (VID) 和Product ID( PID)。當(dāng)USB 設(shè)備插入計(jì)算機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)檢測(cè)到設(shè)備插入后自動(dòng)發(fā)出查詢(xún)請(qǐng)求；USB 設(shè)備回應(yīng)該請(qǐng)求， 并送出設(shè)備的VID /PID。計(jì)算機(jī)根據(jù)這兩個(gè)ID 裝載相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，完成枚舉。

（3）用戶(hù)應(yīng)用程序

用戶(hù)應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，其主要功能為：開(kāi)啟或關(guān)閉USB 設(shè)備、檢測(cè)USB 設(shè)備、設(shè)置USB 數(shù)據(jù)傳輸管道、設(shè)置A /D 狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實(shí)時(shí)從USB 接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。整個(gè)應(yīng)用程序采用Microsoft Visual C++編寫(xiě)，通過(guò)對(duì)界面的控制實(shí)現(xiàn) A/D 的采樣以及數(shù)據(jù)的顯示。

下面列舉一些與應(yīng)用程序有關(guān)的函數(shù)：

BOOLEAN OpenDriver ( ) ；

BOOLEAN CloseDriver ( ) ；

PVO ID Sx2GetDeviceDesc ( ) ；

PVO ID Sx2GetStringDesc ( int stringIndex) ；

PVO ID Sx2GetConfigDesc ( ) ；

BOOLEAN Sx2GetPipe Info ( PVO ID p Interface) ；

BOOLEAN Sx2SendVendorReq ( PVO ID myRequest, char * buffer, int bufferSize, int *

recnBytes) ；

BOOLEAN Sx2GetPipe Info ( PVO ID p Interface) ；

3.2 DSP 軟件程序設(shè)計(jì)

USB 主機(jī)與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)設(shè)備中的端點(diǎn)(Endpoint)進(jìn)行的。這些端點(diǎn)通過(guò)端點(diǎn)號(hào)和輸入輸出方向來(lái)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并為數(shù)據(jù)傳輸分配固定的FIFO 存儲(chǔ)區(qū)。本系統(tǒng)在初始化時(shí)將CY7C68001 的4 個(gè)端點(diǎn)配置為批量傳輸類(lèi)型。其中，F(xiàn)IFO2、FIFO4 為輸出端點(diǎn)，用于接收上位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；FIFO6、FIFO8 為輸入端點(diǎn)，用于存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)。各個(gè)FIFO 設(shè)置為異步工作模式。DSP 經(jīng)初始化后打開(kāi)USB 外部中斷，向CY7C68001 寫(xiě)入描述符表, 等待其枚舉中斷。枚舉成功后，DSP 對(duì)CY7C68001 進(jìn)行其他配置并清空FIFO，然后等待主 機(jī)發(fā)送用戶(hù)請(qǐng)求并進(jìn)行相應(yīng)處理。軟件程序流程圖如圖2 所示。

DSP 軟件程序設(shè)計(jì)主要包括DSP 的初始化、USB 描述符表的寫(xiě)入和其他命令寄存器的 配置以及用戶(hù)請(qǐng)求的相應(yīng)處理。DSP 的初始化主要是初始化時(shí)鐘速率、配置EMIF 口、配置 McBSP 口等。USB 描述符表主要是完成USB 芯片內(nèi)部的初始配置，命令寄存器的配置是完 成USB 中斷的開(kāi)啟、端點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸容量以及方向的配置等。用戶(hù)請(qǐng)求是用戶(hù)應(yīng)用程序，根 據(jù)用戶(hù)發(fā)送的請(qǐng)求完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖 2 DSP 軟件程序設(shè)計(jì)流程圖

4. 結(jié)論

本系統(tǒng)采用 USB 接口完成了核信號(hào)采集系統(tǒng)與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)的用戶(hù)程序顯示所傳數(shù)據(jù)以及波形圖。經(jīng)驗(yàn)證表明該方法連接簡(jiǎn)單，傳輸可靠。與普通串口相比，其 速度也得到了提升。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：將傳統(tǒng)的DSP 信號(hào)采集系統(tǒng)用于核信號(hào)的采集上，并且將與上位機(jī)進(jìn)行通訊的串行口方式改進(jìn)為USB 方式，采用這種即插即用的接口不僅方便了與上位機(jī)的連接而且提高了傳輸?shù)乃俾省?張彪，方方，焦歡歡，黃洪全成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院)