DSP核信号采集系统通讯接口设计

　　摘要：论述了基于USB的DSP核信号数据采集系统通讯接口的设计方法,其中数据采集系统中的USB通讯芯片采用CY7C68001,上位机通讯界面采用Microsoft Visual C++编写,同时采用CPLD很好地解决了各芯片的逻辑问题。实际测试表明利用USB接口提高了数据传输的速率,节省了资源,而且即插即用的方式方便了连接。

　　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，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。