基于USB2.0的数据采集系统设计

 1 USB2.0概述

　　USB(通用串行总线)安装过程简单，不必考虑资源分配，不必关掉计算机电源，易扩展(可扩充至127个外部设备)。随着USB升级到2.0标准，USB2.0总线的传输速度理论上可高达480 Mbit/s，不仅使USB总线完满足需要大批量数据交换的外设的要求，而且使USB总线可应用于实时信号处理系统。

　　USB总线有以下4种数据传输方式：

　　a)控制传输：主要用于主机把命令传给没备及设备把状态返回给主机。任何一个USB设备都必须支持一个与控制传输类型相对应的端点0。
　　 b)中断传输：用来支持那些偶然需要少量数据通信、但服务时间受限制的设备。
　　 c)

批量传输：用来传输大量数据而没有周期和传输速率严格要求的设备上。
　　d)同步传输：要求恒定速率，发送方和接收方都必须保证传输速率的匹配，不然会造成数据的丢失。

　　本系统中需要传输的数据量较大，且传输时机受设备控制。因此采用中断传输+批量传输的设计方法，即PC主机起始使用中断传输端点，采用中断传输方式轮询设备，如果发现设备有数据需要传输，立即转到批量传输端点，在真正的数据传输过程中，采用批量传输方式传输数据。

       2 ISP1581简介

　　ISP1581是Philips公司推出的一种价格低、功能强大的USB设备接口芯片，完全符合USB2.0规范。ISP1581需外接微控制器或微处理器对它进行控制，它支持与大多数MCU和DSP的连接。ISP1581的外部接口有通用处理器模式和断开总线模式(由引脚BUS_CONF控制)。在断开总线模式下，处理器接口使用多路复用的8位地址/数据总线AD[7..0]和单独的DMA(直接存储器存取)总线DATA[15..0]。本系统采用断开总线模式、16位数据总线的MDMA(主机DMA)方式。

       3 硬件设计

　　其中USB接口芯片选用ISP1581，EPLD选用EPM7128S，MCU选用的是Cygnal的c8051f120单片机。

　　系统设计思路如下：ISP1581和MCU的连接采用断开总线模式，数据传输使用MDMA模式，ISP1581的16位DMA总线与FIFO的输出端相连，A/D模块的16位数据输出总线与FIFO的输入端相连。FIFO的写信号由定时芯片8254根据A/D采样频率产生，FIFO的读信号直接由ISP1581的DIOR给出(MDMA模式下)，MDMA开始传输信号也由8254产生，连接到MCU的一个中断引脚，用于启动MDMA。ISP1581和8254的片选信号以及8254的地址、数据、控制等信号均在EPLD内产生。通过8254和EPLD的设置，可以保证FIFO读和MDMA写时序的配合。在本系统中，c8051f02x需要大量访问ISP1581的内部寄存器，因为c8051f系列采用数据空间和I/O空间统一寻址方式，必须采用full memory模式，即将ISP1581作为一个普通外设映射到c8051f02x外部存储空间的I/O空间。

       4 固件程序设计

　　 本系统的固件程序包括单片机固件编程和EPLD方程设计两部分。单片机固件编程用于完成对ISP1581控制，处理主机发送来的一切请求，启动MD-MA开始传输命令等；EPLD方程设计用于产生各种外设的片选等，控制MDMA传输及FIFO、8254等外围芯片的时序配合。

4．1 单片机固件编程

　　单片机程序处理一切由主机发送来的USB请求(包括标准请求和自定义的厂商请求)，并进行相应的数据接收和发送。本系统使用cygnal的e8051f系列单片机，所以相应使用该单片机配套的silieon Labora-tories IDE集成开发环境，采用C51语言编程，使用该系列单片机配套的U-EC3仿真器，可以设断点、在线编程、即时仿真、在线查看单片机内部寄存器的值。因为c8051f系列采用数据空间和I/O空间统一寻址方式，对ISP1581所有寄存器的访问均与单片机对普遍外设的访问方式相同。需要指出的是，C8051f12x系列单片机速度很快(快可以达到100 MHz)，且指令较传统ISP8051系列有很大优化，大多数指令为单指令周期，这对提高DMA传输速度很有帮助，因为每次DMA传输有很多地方需要单片机的参与，具体参见下面"处理DMA请求"部分。下面重点论述使用MDMA部分的固件程序设计。

       1)

MDMA传输初始化

　　功能包括：
　　a)设置DMA配置寄存器，指定DMA传输的数据总线位数(本系统用16位数据总线)。

　　b)设置DMA硬件寄存器，指定DMA传输方式(MDMA还是GDMA)以及设置DACK、DIOW、DIOR、DREQ信号的极性。本系统使用MDMA方式，设置这些信号为低有效。

　　 c)设置DMA中断使能寄存器，激活指定中断源。我们设置可以产生DMA中断的源有内部EOT信号和DMA传输结束(即DMA传输计数器值变为0)。需要注意的是，此处DMA中断使能寄存器不同于ISP1581的中断寄存器，两者的设置方法不同。

　　d)设置选通时间寄存器，指定MDAMA方式下DIOW或DIOR的周期。应在满足ISF1581读写周期的前提下，使该周期尽可能小，这可以显著提高DMA传输速度。经测试，应设置该寄存器的值为0x01。这部分代码可以放在程序的起始部分，需要注意的是，在初始化ISP1581的各寄存器时，应首先设置DMA命令寄存器为Ox11，使其处于上电复位状态。

       2)处理DMA请求

　　主机发送指定传输大小的DMA读的厂商请求后(传输大小应等于每个中断间隔内A/D采样数据大小，以保证所有采样数据不会丢失)，单片机响应该请求，进入相应函数处理DMA请求。具体编程如下：

　　a)设置DMA端点寄存器，指定DMA传输使用的端点。需要注意，为防止DMA端点寄存器与当前使用的端点索引寄存器相同，应首先指定端点索引寄存器为一个与DMA端点寄存器不同的端点值。

　　b)设置DMA传输计数器寄存器，指定本次DMA传输的字节数。当然，这个数越大，DMA传输的速度越快，但笔者经过测试发现，该数不要大于65535，否则可能MDMA传输会失败。而且该数是512的整数倍，这可以保证没有短包传输。

　　 c)设置DMA命令寄存器为0x06(表示MDMA读)，开始MDMA传输。

　　d)程序应循环查询DMA中断寄存器的值，判断本次传输是否完成，如果完成，则清DMA中断寄存器，退出循环，完成本次DMA传输。
    3)中断程序设计

　　本系统中需要用到2个外部中断，分别对应2个中断程序。第1个中断函数用于读出并保存当前所有ISP1581发出的中断的拷贝。注意，我们不仅要保存中断寄存器的值，还要保存DMA中断寄存器的值。需要强调的是，因为ISP1581是全中断驱动的，所有的信息交互都通过中断完成，PC机对ISP1581的任何操作都会引起ISP1581相应的中断，进而单片机通过查询1581中断寄存器判断并处理中断。第2个中断函数是8254发给单片机的，当完成指定周期的A/D数据采样后，8254通过本中断程序通知单片机启动MD-MA开始传输标识，即转到上述"处理DMA请求"部分，读FIFO中的数据。本系统设计8254每隔5 ms左右产生中断，进行DMA传输。

　　系统采用中断传输+批量传输的方法设计中断程序，即如果数据采集模块有数据需要传给主机，首先采用中断传输方式传输数据通知主机，方法是在本段函数的起始部分通过固定的中断传输端点发送8字节数据以与驱动程序部分吻合，然后使用批量传输端点实际传输数据；而主机端应用程序则不断轮询该中断传输端点，若接收到8个字节固定格式的数据，马上采用批量传输方式接收数据。该方法不但利用了中断传输方式的实时性(1 ms以内)，而且充分利用了批量传输的高速率。若FIFO的读写和8254的时序设计得当，利用该方法，可以实现10 MB/s以上的数据录入。在实验中，我们已经做到了8 MB/s的录入速度。

　　USB驱动程序 将另文详述。笔者认为，第1个中断程序的优先级应不低于第2个程序，这样可以保证ISP1581发出的所有中断可以立即得到执行。

       4.2 EPLD方程设计

　　EPLD的功能主要包括提供ISP1581的cs及DREQ信号，提供8254的片选、地址、数据、控制、时钟输入等信号，以及提供FIFO的FIFO_RESET、FIFO-WR、FIFO-RD等信号和A/D转换模块的CLK、START等信号。重点是如何使用MDMA传输的几个重要信号DREQ、DACK、DIOW、DIOR、EOT信号。查询芯片手册，在MDMA模式下，DREQ为输入信号，DACK、D1OW、DIOR、EOT为输出信号。也就是说，当设置DMA命令寄存器为0x06(主机DMA读)时，ISP1581开始不停地查询DMA请求信号DREQ是否为低，若DREQ为低，则传输开始；否则一直查询。因此，可在EPLD中设置DREQ接地，这样可以保证当设置DMA命令寄存器为0x06时，1581立即进行传输。D1OR为输出信号，由1581提供，可直接作为FIFO的读信号；FIFO的写信号由8254的一个输出引脚提供，8254应根据A/D采样频率初始化该定时器，输出该引脚。

       5 结束语

　　本文提出了一种使用USB2.0芯片。ISP1581实现数据采集系统的设计方案。MDMA的DIOR周期为120 ns左右，因此ISP1581在主机DMA模式下，理论上传输速度应为约16.6 MB/s(1000/120×16=132.8 Mbit/s=16.6 MB/s)。在实验中，我们使用的主机端配置为Windows2000+PⅣ3.0 GHz+512 MBDDR RAM，在批量模式下传输速度现已达到13 MB/s～15 MB/s(主机配置不同，传输速度也会相应有所改变)，中断模式下传输速度达到1 MB/s～1.5 MB/s(约每隔0.5 ms进行中断传输，每次传输512字节)，基本达到ISP1581 MDMA方式下速度上限，且传输模式、每次采样时间间隔、每次采样数据大小均可通过软件调节。该系统现已实际投产，应用于某雷达。

  

参考文献:

[1]. EPM7128S datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EPM7128S_301040.html.
[2]. c8051f120 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/c8051f120_209854.html.
[3]. c8051f02x datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/c8051f02x_209834.html.