DSP核信号采集系统通讯接口设计

2011-05-17 14:43:37来源: 互联网
0.引言

  随着数字信号处理技术理论的不断发展,数字信号处理器的发展也是日新月异。不仅执 行指令速度越来越快,而且其功耗也越来越低。许多仪器或检测设备都不约而同地将DSP 应用到那些数据量庞大而且需实时传送数据的系统中。核信号数据采集系统也不例外,利用 DSP 可以实时有效地处理采集的信号,并将处理数据发送至上位机进行进一步处理。通常 数据采集系统下位机与上位机的通讯采用串口方式,这种方式不仅协议简单,而且连接方便。 但是这种方式的数据传送速率不高,而USB 总线接口具有方便快捷、支持即插即用、可实 现高速数据通讯等优点,在很多领域得到广泛应用。USB 总线接口在USB1.1 协议下传输速 率可达12Mbps ,USB2.0 协议下可达480Mbps ,完全可以满足目前的数据采集控制系统对于 数据实时传输速率越来越高的要求。

  因此在本系统设计中其通讯方式采用USB(Universal Serial Bus)总线接口方式。 USB 控制芯片采用Cypress 公司EZ-USB SX2 系列的CY7C68001 控制芯片,DSP 选用TI 公司的定点DSP 芯片TMS320VC5502。

  1.CY7C68001USB 控制芯片介绍

  CY7C68001 是由美国Cypress 公司开发的高速USB 芯片,支持USB2.0 协议。其内部 集成有USB 收发器(物理层)、USB 串行接口引擎SIE(链路层,实现底层通信协议)、4KB的FIFO 以及电压调节器、锁相环;可工作于全速(12Mb/s)和高速(480Mb/s)两种传输模式, 支持8 位和16 位数据总线方式,具有同步和异步的FIFO 接口。CY7C68001 被用来与DSP、 ASIC、FPGA 等控制器连接实现USB 的功能,其内部不含微控制器。同时CY7C68001 提 供4 种传输方式(控制传输、中断传输、批量传输和同步传输),可满足用户对各种传输方 式的要求。由于该控制芯片内不含微控制器,USB 的应用层协议应该由DSP 编程实现,USB 固件的加载必须靠DSP 控制CY7C68001 完成。

  2.通讯接口系统硬件设计

  整个采集系统包括的部分有传感器信号调理电路、A/D 转换电路、FIFO 数据缓冲单元、 DSP 控制器、FLASH 程序存储单元、CPLD 逻辑控制单元、与上位机连接的USB 通讯单元。 其中与PC 机通讯的USB 单元硬件接口框图如下图所示。




  图 1 数据采集系统与PC 机通讯的硬件接口框图

  由图 1 可以看出,通讯部分主要由CY7C68001 USB 控制器、CPLD 逻辑单元、E2PROM、 TMS320VC5502 组成。由于整个系统所需的器件数目较多,由此带来的逻辑控制较为复杂, 而DSP 的I/O 接口有限,故在系统中加入了CPLD 逻辑控制单元,用于产生电路中需要的 逻辑状态。同时用CPLD 中还实现了寄存器功能,这部分寄存器用于表征USB 通讯时各种 状态信息,便于DSP 查询。

  CY7C68001 USB 控制器与TMS320VC5502 采用EMIF 连接方式,并将USB 控制器中 的存储器配置到CE1 空间。同时采用异步读写方式完成TMS320VC5502 与CY7C68001之 间的数据和命令交换。系统中E2PROM 的作用是完成USB 控制器的描述表自举。CY7C68001 控制器的自举方式有两种:EEPROM 和微控制器,本系统采用EEPROM 方式。

  3.通讯接口系统软件设计

  3.1 主机端软件设计

  主机端软件的功能主要是完成下位机上传数据的接收、显示、分析等。由于信号采集的数据量较大,所以在USB 传输方式上采用批量传输方式。

  主机端软件的设计包含3 个方面:

  (1)USB 驱动程序设计

  USB 驱动程序的功能主要是实现USB 发现、配置、关闭以及数据的传送接口控制。 USB 设备驱动程序的设计是基于WDM (Windows driver model ,驱动程序模型)的。WDM 采用分层驱动程序模型,分为较高级的USB 设备驱动程序和较低级的USB 函数层。其中 USB 函数层由两部分组成:较高级的通用串行总线模块(US-BD)和较低级的主控制器驱动程 序模块(HCD)。在上述USB 分层模块中,USB 函数层由操作系统提供,负责管理USB 设 备驱动程序和USB 控制器之间的通信、加载及卸载USB 驱动程序,与USB 设备通用端点 建立通信来执行设备配置、数据与USB 协议框架和打包格式的双向转换任务。

  (2)安装USB 的信息文件(.inf)

  这一步用于将驱动程序绑定到特定设备的Verdor ID (VID) 和Product ID( PID)。当USB 设备插入计算机时,计算机检测到设备插入后自动发出查询请求;USB 设备回应该请求, 并送出设备的VID /PID。计算机根据这两个ID 装载相应设备驱动程序,完成枚举。

  (3)用户应用程序

  用户应用程序是数据采集系统的核心,其主要功能为:开启或关闭USB 设备、检测USB 设备、设置USB 数据传输管道、设置A /D 状态和数据采集端口、实时从USB 接口采集数 据、显示并分析数据。整个应用程序采用Microsoft Visual C++编写,通过对界面的控制实现 A/D 的采样以及数据的显示。

  下面列举一些与应用程序有关的函数:

  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 软件程序设计

  USB 主机与设备间的数据传输是通过设备中的端点(Endpoint)进行的。这些端点通过端 点号和输入输出方向来进行标识,并为数据传输分配固定的FIFO 存储区。本系统在初始化 时将CY7C68001 的4 个端点配置为批量传输类型。其中,FIFO2、FIFO4 为输出端点,用 于接收上位机传来的数据;FIFO6、FIFO8 为输入端点,用于存放待发送的数据。各个FIFO 设置为异步工作模式。DSP 经初始化后打开USB 外部中断,向CY7C68001 写入描述符表, 等待其枚举中断。枚举成功后,DSP 对CY7C68001 进行其他配置并清空FIFO,然后等待主 机发送用户请求并进行相应处理。软件程序流程图如图2 所示。


  图 2 DSP 软件程序设计流程图

  DSP 软件程序设计主要包括DSP 的初始化、USB 描述符表的写入和其他命令寄存器的 配置以及用户请求的相应处理。DSP 的初始化主要是初始化时钟速率、配置EMIF 口、配置 McBSP 口等。USB 描述符表主要是完成USB 芯片内部的初始配置,命令寄存器的配置是完 成USB 中断的开启、端点数据传输容量以及方向的配置等。用户请求是用户应用程序,根 据用户发送的请求完成相应的数据传输。

  4. 结论

  本系统采用 USB 接口完成了核信号采集系统与上位机间的数据传输,上位机的用户程 序显示所传数据以及波形图。经验证表明该方法连接简单,传输可靠。与普通串口相比,其 速度也得到了提升。

  本文创新点:将传统的DSP 信号采集系统用于核信号的采集上,并且将与上位机进行通讯 的串行口方式改进为USB 方式,采用这种即插即用的接口不仅方便了与上位机的连接而且 提高了传输的速率。

关键字:信号  采集  系统  设计

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0517/article_6000.html
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