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隨著數字信號處理技術理論的不斷發展，數字信號處理器的發展也是日新月異。不僅執 行指令速度越來越快，而且其功耗也越來越低。許多儀器或檢測設備都不約而同地將DSP 應用到那些數據量龐大而且需實時傳送數據的系統中。核信號數據采集系統也不例外，利用 DSP 可以實時有效地處理采集的信號，并將處理數據發送至上位機進行進一步處理。通常 數據采集系統下位機與上位機的通訊采用串口方式，這種方式不僅協議簡單，而且連接方便。 但是這種方式的數據傳送速率不高，而USB 總線接口具有方便快捷、支持即插即用、可實 現高速數據通訊等優點,在很多領域得到廣泛應用。USB 總線接口在USB1.1 協議下傳輸速 率可達12Mbps ,USB2.0 協議下可達480Mbps ,完全可以滿足目前的數據采集控制系統對于 數據實時傳輸速率越來越高的要求。 因此在本系統設計中其通訊方式采用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DSP 芯片TMS320VC5502。 1．CY7C68001USB 控制芯片介紹 CY7C68001 是由美國Cypress 公司開發的高速USB 芯片，支持USB2.0 協議。其內部 集成有USB 收發器（物理層）、USB 串行接口引擎SIE（鏈路層，實現底層通信協議）、4KB的FIFO 以及電壓調節器、鎖相環；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 位數據總線方式，具有同步和異步的FIFO 接口。CY7C68001 被用來與DSP、 ASIC、FPGA 等控制器連接實現USB 的功能，其內部不含微控制器。同時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），可滿足用戶對各種傳輸方 式的要求。由于該控制芯片內不含微控制器，USB 的應用層協議應該由DSP 編程實現,USB 固件的加載必須靠DSP 控制CY7C68001 完成。 2．通訊接口系統硬件設計 整個采集系統包括的部分有傳感器信號調理電路、A/D 轉換電路、FIFO 數據緩沖單元、 DSP 控制器、FLASH 程序存儲單元、CPLD 邏輯控制單元、與上位機連接的USB 通訊單元。 其中與PC 機通訊的USB 單元硬件接口框圖如下圖所示。 圖 1 數據采集系統與PC 機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。由于整個系統所需的器件數目較多，由此帶來的邏輯控制較為復雜， 而DSP 的I/O 接口有限，故在系統中加入了CPLD 邏輯控制單元，用于產生電路中需要的 邏輯狀態。同時用CPLD 中還實現了寄存器功能，這部分寄存器用于表征USB 通訊時各種 狀態信息，便于DSP 查詢。 CY7C68001 USB 控制器與TMS320VC5502 采用EMIF 連接方式，并將USB 控制器中 的存儲器配置到CE1 空間。同時采用異步讀寫方式完成TMS320VC5502 與CY7C68001 之 間的數據和命令交換。系統中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，本系統采用EEPROM 方式。 3．通訊接口系統軟件設計 3.1 主機端軟件設計 主機端軟件的功能主要是完成下位機上傳數據的接收、顯示、分析等。由于信號采集的數據量較大，所以在USB 傳輸方式上采用批量傳輸方式。 主機端軟件的設計包含3 個方面： （1）USB 驅動程序設計 USB 驅動程序的功能主要是實現USB 發現、配置、關閉以及數據的傳送接口控制。 USB 設備驅動程序的設計是基于WDM (Windows driver model ，驅動程序模型)的。WDM 采用分層驅動程序模型，分為較高級的USB 設備驅動程序和較低級的USB 函數層。其中 USB 函數層由兩部分組成：較高級的通用串行總線模塊(US-BD)和較低級的主控制器驅動程 序模塊(HCD)。在上述USB 分層模塊中，USB 函數層由操作系統提供，負責管理USB 設 備驅動程序和USB 控制器之間的通信、加載及卸載USB 驅動程序，與USB 設備通用端點 建立通信來執行設備配置、數據與USB 協議框架和打包格式的雙向轉換任務。 （2）安裝USB 的信息文件（.inf） 這一步用于將驅動程序綁定到特定設備的Verdor ID (VID) 和Product ID( PID)。當USB 設備插入計算機時，計算機檢測到設備插入后自動發出查詢請求；USB 設備回應該請求， 并送出設備的VID /PID。計算機根據這兩個ID 裝載相應設備驅動程序，完成枚舉。 （3）用戶應用程序 用戶應用程序是數據采集系統的核心，其主要功能為：開啟或關閉USB 設備、檢測USB 設備、設置USB 數據傳輸管道、設置A /D 狀態和數據采集端口、實時從USB 接口采集數 據、顯示并分析數據。整個應用程序采用Microsoft Visual C++編寫，通過對界面的控制實現 A/D 的采樣以及數據的顯示。 下面列舉一些與應用程序有關的函數： 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 軟件程序設計 USB 主機與設備間的數據傳輸是通過設備中的端點(Endpoint)進行的。這些端點通過端 點號和輸入輸出方向來進行標識，并為數據傳輸分配固定的FIFO 存儲區。本系統在初始化 時將CY7C68001 的4 個端點配置為批量傳輸類型。其中，FIFO2、FIFO4 為輸出端點，用 于接收上位機傳來的數據；FIFO6、FIFO8 為輸入端點，用于存放待發送的數據。各個FIFO 設置為異步工作模式。DSP 經初始化后打開USB 外部中斷，向CY7C68001 寫入描述符表, 等待其枚舉中斷。枚舉成功后，DSP 對CY7C68001 進行其他配置并清空FIFO，然后等待主 機發送用戶請求并進行相應處理。軟件程序流程圖如圖2 所示。 圖 2 DSP 軟件程序設計流程圖 DSP 軟件程序設計主要包括DSP 的初始化、USB 描述符表的寫入和其他命令寄存器的 配置以及用戶請求的相應處理。DSP 的初始化主要是初始化時鐘速率、配置EMIF 口、配置 McBSP 口等。USB 描述符表主要是完成USB 芯片內部的初始配置，命令寄存器的配置是完 成USB 中斷的開啟、端點數據傳輸容量以及方向的配置等。用戶請求是用戶應用程序，根 據用戶發送的請求完成相應的數據傳輸。 4. 結論 本系統采用 USB 接口完成了核信號采集系統與上位機間的數據傳輸，上位機的用戶程 序顯示所傳數據以及波形圖。經驗證表明該方法連接簡單，傳輸可靠。與普通串口相比，其 速度也得到了提升。 本文創新點：將傳統的DSP 信號采集系統用于核信號的采集上，并且將與上位機進行通訊 的串行口方式改進為USB 方式，采用這種即插即用的接口不僅方便了與上位機的連接而且 提高了傳輸的速率。 |
