摘 要：介紹了一種利用USB2.0的高速傳輸特性,，基于USB和DSP的數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。詳細論述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),、部分硬件設(shè)計,，并簡要敘述了相應固件程序的實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：USB? DSP? FPGA? 高速傳輸
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測量儀器一般由數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)分析和顯示三部分組成,，而數(shù)據(jù)分析和顯示可以由PC機的軟件來完成，因此只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件就可以和PC機組成測量儀器,。這種基于PC機的測量儀器被稱為虛擬儀器[1],。而在一些數(shù)據(jù)量比較大,、采集時間比較長的場合，就需要采用高速的數(shù)據(jù)傳輸通道,?；谔摂M儀器的思想和高速傳輸通道的要求，設(shè)計了一種基于DSP和USB2.0的高速數(shù)據(jù)傳輸接口,。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由A/D數(shù)據(jù)采集單元,、USB從接口單元、U盤讀寫單元組成,。硬件原理圖如圖1所示,。被測信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后寫入FIFO中；當FIFO數(shù)據(jù)半滿后,，產(chǎn)生中斷,，通知DSP進行數(shù)據(jù)壓縮處理；DSP把壓縮好的數(shù)據(jù)依次寫入USB接口芯片" title="接口芯片">接口芯片的4個從FIFO中,，4個從FIFO對應USB的4個端點，DSP一邊寫入數(shù)據(jù),，已寫滿的從FIFO就一邊通過相應端點由SIE把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機,，上位機一邊把收到的數(shù)據(jù)通過多線程存儲到硬盤中，一邊把數(shù)據(jù)解壓并把波形實時顯示出來,。對于少量的數(shù)據(jù),，可以存儲到U盤，送回PC機進行分析顯示,。
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1.1 A/D采集模塊
作為單通道輸入的MAX1189,，主要控制信號有CS、R/C(Read/Conversion),、EOC(End of Conversion),。圖2為MAX1189的時序圖[2]。如圖2所示,，每個采樣周期長達CS信號的三個周期,。在第一個CS信號的下降沿，如果R/C為低電平,，也就進入了應答模式,，這是開始采樣前必須的準備工作。為了適應不同的輸入極性要求,，MAX1189的內(nèi)部參考電壓可以在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后進行設(shè)置,，這是通過在第二個CS下降沿時，R/C的高低電平變化來控制的,，非常簡便,。低電平時,，ADC內(nèi)部參考電壓無需進行轉(zhuǎn)換，這樣在開始下一個周期的轉(zhuǎn)換時無需等待電壓的變化,。高電平" title="高電平">高電平時,，內(nèi)部參考電壓會進行調(diào)變，這樣在開始下一周期的轉(zhuǎn)換時需要等待大約12?滋s的時間,。在CS信號的第三個下降沿,，EOC信號變?yōu)榈碗娖剑硎静蓸咏Y(jié)束,，此時R/C信號為高電平,，會把采樣數(shù)據(jù)放到總線上，這樣就完成了一個周期的采樣,。采樣模塊的控制信號是由FPGA控制的,。
1.2 DSP與FIFO的連接
主處理器DSP既要控制采集，又要完成數(shù)據(jù)的處理和傳輸,，因此數(shù)據(jù)采集模塊采集來的數(shù)據(jù)不能直接傳送給DSP,這會極大影響DSP的處理效率,。解決辦法是利用數(shù)據(jù)緩沖器如雙口RAM、FIFO等,，對數(shù)據(jù)進行適度緩存,，當緩存的數(shù)據(jù)量達到一個設(shè)定值時，可以通知CPU進行一次高速數(shù)據(jù)傳輸,，將緩存的數(shù)據(jù)一次性地讀入,。在設(shè)計中采用了緩沖，較好地解決了采集端與處理端的速度匹配問題,。
FIFO的讀寫由各自的控制時鐘FIFOR和FIFOW控制,，寫時鐘與采樣時鐘同步，讀時鐘與DSP處理數(shù)據(jù)的時序有關(guān),。當FIFO半滿后,，F(xiàn)PGA會根據(jù)FIFOHF、FIFOE/F,、FIFOPAFE的相應位判斷FIFO是否半滿,，F(xiàn)PGA便向DSP發(fā)出中斷請求。本設(shè)計中采用外部中斷的EXTINT3來作為FIFO緩沖數(shù)據(jù)的DMA傳輸觸發(fā)事件,。DSP響應FPGA中斷請求,，讀取數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)壓縮。當DSP數(shù)據(jù)處理速度跟不上采集數(shù)據(jù)速度時,，F(xiàn)IFO就會全滿,，F(xiàn)PGA根據(jù)FIFOHF、FIFOE/F、FIFOPAFE相應位狀態(tài)判斷到FIFO已全滿,，于是向USB接口芯片單片機發(fā)出最高級中斷請求,，通知系統(tǒng)數(shù)據(jù)己溢出，采集發(fā)生嚴重錯誤,。
1.3 USB從接口電路
USB從接口單元采用CYPRESS的CY7C68013芯片,。如圖3所示，USB接口芯片CY7C68013由3.3V電源供電,。PAO/INTO#選擇INTO工作方式,，其中斷級別最高，當FIFO全滿造成數(shù)據(jù)溢出導致數(shù)據(jù)采集發(fā)生嚴重錯誤時,，該中斷請求發(fā)生,，系統(tǒng)通知數(shù)據(jù)溢出錯誤，并停止數(shù)據(jù)采集,。RESET#為USB接口芯片復位輸入,。
USB的FDO～FDl5與DSP的I/O數(shù)據(jù)線相連，用于DSP與USB從FIFO通信,，SLWR為寫控制時鐘,。FLAGB、FLAGC用于輸出2,4,6,8相應端點從FIFO的空滿狀態(tài),，以便DSP寫USB從FIFO時獲取空滿狀態(tài),。
FIFOADRO、FIFOADR1用于DSP尋址2,4,6,8相應端點USB從FIFO,，F(xiàn)IFOADRO及FIFOADR1功能真值表如表1所示,。FIFOADRO,、FIFOADR1的初值為00,，對應DSP寫端點2的從FIFO, FPGA對寫USB從FIFO的控制時鐘SLWR計數(shù)，當達到512次時,，表示端點2己寫滿,，計數(shù)器清零，F(xiàn)IFOADRO和FIFOADR1的值自加一次變?yōu)?1,，對應DSP寫端點4的從FIFO,。以此類推，DSP依次寫2,4,6,8端點數(shù)據(jù),，當FIFOADRO和FIFOADR1的值為11時,，再自加一次，F(xiàn)IFOADRO和FIFOADR1的值又變?yōu)?0,因此,，DSP可循環(huán)寫2,4,6,8端點,。需要說明的是，當DSP開始寫一新端點的從FIFO之前，DSP要讀一次FLAGB,、FLAGC標志位,，若該端點不空，則等待,；若空,，則進行寫數(shù)據(jù)操作[3]。
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1.4 U盤讀寫單元
此電路單元采用USB主控芯片CH375,。CH375 是一USB總線的通用接口芯片,，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式。此系統(tǒng)中只采用USB的主功能,，用來讀寫U盤[4],。
CH375 芯片的RD#和WR#引腳分別連接DSP的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳。CS#由地址譯碼電路驅(qū)動,。INT#輸出的中斷請求是低電平有效,，可以連接到DSP的中斷輸入引腳。當WR#為高電平并且CS#和RD#及A0都為低電平時,，CH375中的數(shù)據(jù)通過D7～D0 輸出,；當RD#為高電平并且CS#和WR#及A0都為低電平時，D7～D0上的數(shù)據(jù)被寫入CH375芯片中,；當RD#為高電平并且CS#和WR#都為低電平而A0 為高電平時,，D7～D0上的數(shù)據(jù)被作為命令碼寫入CH375芯片中。CH375內(nèi)置了處理Mass-Storage 海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件,，DSP可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB 存儲設(shè)備（包括USB硬盤/USB閃存盤/U 盤）,。
2 軟件設(shè)計
本設(shè)計的軟件主要由兩大部分組成：USB芯片軟件及DSP通信軟件。其中,，USB芯片軟件的設(shè)計是關(guān)鍵,，它又包括固化程序、驅(qū)動程序,、PC機端應用程序" title="應用程序">應用程序[5]以及DSP端通信接口程序,。
2.1 固化程序
?USB芯片的固化程序主要負責：
(1) 寄存器初始化工作，設(shè)置一些特殊功能寄存器的初值以實現(xiàn)所需的屬性或者功能,；
(2) 輔助硬件完成設(shè)備的枚舉過程,，對主機的設(shè)備請求作出適當?shù)捻憫?BR>(3) 完成中斷處理、數(shù)據(jù)接收及發(fā)送以及對外圍電路的控制,。
2.2 驅(qū)動程序
開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序可采用Jungo公司的WinDriverv6．03,，并以VC++6.0作為輔助開發(fā)環(huán)境。利用WinDriver提供的開發(fā)平臺,，用戶即可完成驅(qū)動程序的設(shè)計工作,，剩下的底層細節(jié)由WinDriver內(nèi)核統(tǒng)一處理，從而降低了對開發(fā)者編程能力的要求，同時也大大縮短了開發(fā)周期,。下面對使用WinDriver開發(fā)驅(qū)動程序的步驟作一個簡要說明：
(1) 啟動WinDriver的DriverWizard工具,；
(2) 利用DriverWizard檢測硬件是否正常；
(3) 在DriverWizard中選擇所使用的開發(fā)環(huán)境,，這里使用VC6．0開發(fā)環(huán)境,，并生成驅(qū)動程序代碼；
(4) 對生成的代碼進行修改,，使其符合系統(tǒng)的需要,；
(5) 在WinDriver環(huán)境的用戶模式下調(diào)試驅(qū)動程序。
2.3 PC端應用程序
USB主機應用程序是計算機中完成特定功能的程序,，其關(guān)鍵是實現(xiàn)從USB 外設(shè)讀取或發(fā)送特定數(shù)量的數(shù)據(jù),、USB標準設(shè)備請求和特定的命令等。另外,，可以對數(shù)據(jù)做進一步的處理,，如：存儲、顯示,、快速傅立葉變換等,。
主機應用程序的編寫使用ＶＣ編譯環(huán)境中的ＡＰＩ函數(shù)實現(xiàn)。應用程序的編程方法與串口編程類似,。首先必須查找設(shè)備,，調(diào)用WIN32函數(shù)CreateFilea( )打開設(shè)備的句柄；然后調(diào)用WIN32函數(shù)DeviceIoControl( )就可以進行數(shù)據(jù)讀寫和控制操作,；最后關(guān)閉設(shè)備句柄,。
2.4 DSP端通信接口程序
在本設(shè)計中，DSP處于主控地位,，通過INT中斷決定什么時候接收USB送來的數(shù)據(jù),，并把接收來的數(shù)據(jù)做簡單的壓縮運算，決定何時往USB發(fā)送這些數(shù)據(jù),。在讀數(shù)據(jù)時,，應首先判斷FX2的FIFO2是否為空,，如果不為空則將數(shù)據(jù)讀進來,，一次讀進一個16位數(shù)。在寫數(shù)據(jù)時,，首先判斷要寫的數(shù)據(jù)個數(shù)是否為512字節(jié)的整倍數(shù),。
由于開發(fā)此系統(tǒng)涉及到USB驅(qū)動開發(fā)以及應用程序的設(shè)計，比較繁瑣,，嘗試利用Mass Storage協(xié)議開發(fā)虛擬設(shè)備,，把數(shù)據(jù)采集卡當作一個Windows的外圍設(shè)備，采用文件系統(tǒng)格式直接以文件形式存儲數(shù)據(jù)。這部分主要是修改CY7C68013的固件程序,，如設(shè)備描述符,、端點描述符，主機會把采集卡認為是一Mass Storage設(shè)備,，然后利用SCSI協(xié)議以及文件系統(tǒng)就可以直接存儲由DSP傳過來的數(shù)據(jù),，這樣就省去了復雜的驅(qū)動和應用程序設(shè)計。
本文介紹了基于USB2.0的16bit數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，采用數(shù)據(jù)壓縮算法完成了數(shù)據(jù)量的壓縮以及高速數(shù)據(jù)傳輸[6],。由于USB的即插即用特性，彌補了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡插拔困難的缺點,，相信隨著技術(shù)的進步,，USB技術(shù)必將得到更廣泛的應用。
參考文獻
[1]? 覃章健,，黃洪全,，葛良全.基于USB2.0的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究.中國測試技術(shù)，2005,，31（5）.
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???? 2005-05-10.
[5] ?鄧鵬飛,，李小波,張劍云.USB2.0在DSP與計算機通信中的應用[J].計算機數(shù)字與工程[J],2005,(6):99-103.
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