摘 要: 介紹了一種基于DSP與USB的高速數(shù)據(jù)采集與處理" title="數(shù)據(jù)采集與處理">數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),,包括整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計,。DSP控制整個系統(tǒng)完成CCD信號采集并進行小波變換去噪處理,F(xiàn)PGA協(xié)同DSP實現(xiàn)整個系統(tǒng)的地址譯碼和邏輯控制,。主機應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序通過USB完成與DSP的數(shù)據(jù)通信,,實現(xiàn)整個采集的控制和數(shù)據(jù)顯示。這種高速的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),,可廣泛地應(yīng)用于各種智能儀表,、自動化控制設(shè)備中,有著非常好的市場應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞: DSP FPGA USB 數(shù)據(jù)采集
在圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中,,常常需要對高速信號進行采集與處理,。例如,在光傳感技術(shù)中對光脈沖散射信號的測量,,在雷達工程中對電磁脈沖信號的測量等,,都需要對高速信號進行采集與運算,而且此類高速信號的測量,,往往對數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)提出嚴格的要求,。本文設(shè)計并實現(xiàn)一種基于DSP和USB的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路簡單,,可靠性好,,具有一定的通用性,并且可以進行多通道擴展,。
1 原理概述
基于DSP和USB的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示,。系統(tǒng)上電后,DSP,、FPGA分別由各自的FLASH加載程序,,采集與處理系統(tǒng)開始運行。在A/D" title="A/D">A/D變換器完成轉(zhuǎn)換后由FPGA向DSP發(fā)送中斷0申請信號,,DSP從A/D FIFO RAM中讀取數(shù)據(jù),,并進行小波變換去噪處理,處理結(jié)束后DSP向USB控制器發(fā)送中斷申請信號,,USB控制器將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機,,由主機應(yīng)用程序顯示數(shù)據(jù)。主機應(yīng)用程序還可以對整個采集,、處理系統(tǒng)進行控制,,主要設(shè)定三個功能:接收處理后的數(shù)據(jù),接收處理前的數(shù)據(jù),,設(shè)定A/D的采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率和采樣點數(shù),。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件設(shè)計主要分為三大部分:DSP部分、FPGA部分,、USB部分,。
2.1 DSP部分設(shè)計
本系統(tǒng)使用的DSP芯片為TI(德州儀器)公司的TMS320VC33,它是TI公司推出的性價比極高的32位浮點型數(shù)字信號處理芯片,,是目前在國內(nèi)外使用最為廣泛的浮點DSP之一,。
TMS320VC33具有以下特點:哈佛結(jié)構(gòu);流水線操作,;專用的硬件乘法器,;特殊的DSP指令;快速的指令周期。另外,,TMS320VC33還具有強大的浮點運算能力,,運算速度可達 150MFLOPS(每秒百萬次浮點運算),處理能力達到75MIPS(每秒百萬次指令周期),。而且,,它還采用3.3V I/O電壓和1.8V處理器核電壓使功耗降低到200mW。
DSP部分的電路設(shè)計主要是為TMS320VC33的外圍電路設(shè)計,。TMS320VC33的STRB0和引腳分別連接存儲器的片選和使能引腳,,實現(xiàn)程序/數(shù)據(jù)存儲器的擴展;引腳接到高電平,,INT2引腳接到低電平,實現(xiàn)上電后程序自加載,;由TMS,、TDI、TDO,、TCK,、、EMU0,、EMU1等引腳組成程序下載口,,以方便DSP程序調(diào)試。
2.2 FPGA部分設(shè)計
因為本系統(tǒng)的邏輯比較復雜,,為了有效地減少硬件的體積,、提高硬件系統(tǒng)的可靠性,這里把所有的邏輯控制電路,、各種存儲器/寄存器的地址譯碼電路都用一塊超大規(guī)?,F(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)XC3090來實現(xiàn)。邏輯控制電路包括:命令寄存器,、采樣點數(shù)/采樣頻率設(shè)定寄存器,、中斷申請信號發(fā)生器、將A/D結(jié)果寫入FIFO RAM的控制電路,、USB及其FIFO和A/D FIFO狀態(tài)檢測電路,。
2.3 USB部分設(shè)計
TMS320VC33與USB控制器AN2136SC之間通過雙向FIFO 交換數(shù)據(jù),握手信號使用AN2136SC的PC口。當USB為接收緩沖器時,DSP讀,AN2136SC寫;當USB為發(fā)送緩沖器時,DSP寫,AN2136SC讀,。PC(0)~(3)用作二者的讀寫通道,方向可編程確定; PC(4)用于TMS320VC33向AN2136SC申請中斷;PC(5)用于AN2136SC復位USB接收緩沖器;PC(6)用于USB接收器滿標志,若接收器已滿則禁止AN2136進一步對USB接收緩沖器寫入;PC(7)用于USB發(fā)送緩沖器空標志,若緩沖器已空則禁止AN2136SC進一步對USB發(fā)送緩沖器讀出,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件主要包括五大部分:DSP程序(用于A/D采樣控制、數(shù)據(jù)處理,、DSP與USB總線之間的信息交換),、USB總線驅(qū)動程序、USB固件" title="固件">固件程序(用于PC機與DSP之間的數(shù)據(jù)交換與處理)、主機應(yīng)用程序,、FPGA中對地址的譯碼程序和各個寄存器的實現(xiàn)程序,。
3.1 DSP程序
DSP程序首先對DSP進行初始化(中斷初始化、片外選通信號初始化,、設(shè)定系統(tǒng)默認的采樣點數(shù)/采樣頻率等),,然后等待中斷(中斷0的程序主要用于對A/D數(shù)據(jù)的讀取和處理,并向主機發(fā)送處理后的數(shù)據(jù),;中斷1的程序主要用于分析主機的命令,,針對主機的命令設(shè)定系統(tǒng)的采樣點數(shù)/采樣頻率,并發(fā)送主機需要的數(shù)據(jù)),。程序框圖如圖2所示,。
3.2 USB固件程序
固件程序代碼由USB芯片集成的加強型8051單片機處理。當EZ-USB設(shè)備連接到USB口時,,主機進行總線枚舉,,首先根據(jù)設(shè)備ID使用系統(tǒng)程序?qū)⒐碳螺d到芯片內(nèi)部,然后進行重枚舉,,固件作為用戶的功能設(shè)備開始執(zhí)行,。CYPRESS公司提供的固件程序框架,用來完成控制傳輸工作和大部分的數(shù)據(jù)傳輸工作,。本接口電路的固件程序就是基于此固件框架開發(fā)的,,并使用Keil C進行編譯。USB接收的DSP中斷程序如下:
void ISR_IDT(void) interrupt INT0_VECT
{FASTXFR = 0x40; 使能快速傳模式
AUTOPTRL=LSB((WORD)&IN4BUF); 將自動指針指向端點4緩沖器
AUTOPTRH=MSB((WORD)&IN4BUF);
for(i=0;i<64;i++)
{AUTODATA=ACC}; 接收數(shù)據(jù)
FASTXFR=0x0;
IN4BC=64; 發(fā)送數(shù)據(jù)大小
EZUSB_IRQ_CLEAR();
IN07IRQ=bmEP4; 使能端點4}
3.3 主機應(yīng)用程序
為了實現(xiàn)與驅(qū)動程序的通信,,應(yīng)用程序首先創(chuàng)建一個事件和一個線程,,然后將事件句柄傳遞給WDM,用線程等待WDM發(fā)送的事件消息,,接收到事件消息后,,就讀取驅(qū)動程序的數(shù)據(jù),顯示數(shù)據(jù),。
在Windows中,,Win32應(yīng)用程序調(diào)用的API函數(shù)有五個:CreateFile()、ReadFile(),、WriteFile(),、DeviceIoControl()和CloseHandle()。
應(yīng)用程序為打開一個WDM設(shè)備驅(qū)動程序,,使用CreateFile()函數(shù),。它的第一個參數(shù)是一個符號鏈接名。如果用DriverWorks創(chuàng)建一個WDM驅(qū)動程序,,通常會用類KUnitizedName生成一個設(shè)備符號鏈接名,。這個名字的后面有一個數(shù)字,,一般是一個0。例如,,若符號鏈接名為L“USBDevice”,,則傳遞給CreateFile()的是“.USBDevice0”。
一旦應(yīng)用程序獲得設(shè)備的有效句柄,,它就能夠調(diào)用Win32函數(shù),,這將產(chǎn)生對應(yīng)于此設(shè)備對象的相應(yīng)的IRP,發(fā)送給驅(qū)動程序,,完成相應(yīng)功能,。
有關(guān)代碼如下:
HANDLE hDevice hDevice= CreateFile(“.USBDe-vice0”,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, NULL,OPEN_EXISTING,
FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,NULL); //打開設(shè)備句柄
ReadFile(hDevice,buf,n,&nRead,NULL); //讀操作
4 試驗結(jié)果
本系統(tǒng)軟硬件調(diào)試均已成功,圖3為CCD在半遮擋情況下原始信號的波形,。本系統(tǒng)還可以采集和處理圖像信號(例如CCD面陣信號),。
本文提出了一種基于DSP和USB的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),詳細地介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計方法,。經(jīng)使用驗證,,系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了對CCD信號的采集和處理。利用一塊超大規(guī)?,F(xiàn)場可編程邏輯門陣列,,減小了PCB板的制作空間并且大大地增加了系統(tǒng)的可靠性,;使用DSP處理器,,提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度和處理速度,進而保證了系統(tǒng)的實時性,;由USB主控制器完成與PC機的通信,,具有熱插拔、易于使用,、傳輸速率高等特點,;而且整個系統(tǒng)構(gòu)成合理、實現(xiàn)方法簡單,、具有實用價值,。
參考文獻
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