USB2.0接口和DSP構(gòu)成的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：USB2.0 CY7C68013 DSP 高速數(shù)據(jù)采集

隨著數(shù)字信號處理理論和計算機(jī)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究都需要借助于數(shù)字處理方法。進(jìn)行數(shù)字處理的先決條件是將所研究的對象進(jìn)行數(shù)字化，因此數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)日益得到重視。在圖像處理、瞬態(tài)信號檢測、軟件無線電等一些領(lǐng)域，更是要求高速度、高精度、高實時性的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)?，F(xiàn)在的高速數(shù)據(jù)采集處理卡一般采用高性能數(shù)字信號處理器（DSP）和高速總線技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)。DSP用于完成計算量巨大的實時處理算法，高速總線技術(shù)則完成處理結(jié)果或者采樣數(shù)據(jù)的快速傳輸。DSP主要采用TI或者ADI公司的產(chǎn)品，高速總線可以采用ISA、PCI、USB等總線技術(shù)。目前，使用比較廣泛的是PCI總線，雖然其有很多優(yōu)點(diǎn)，但是存在如下嚴(yán)重缺陷；易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的影響，受計算機(jī)插槽數(shù)量的地址、中斷資源的限制而不可能掛接很多設(shè)備等。USB總線由于具有安裝方便、高帶這、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，其中USB2.0標(biāo)準(zhǔn)有著高達(dá)4800bps的傳輸速率，已經(jīng)逐漸成為計算機(jī)接口的主流。本文介紹一個采用USB2.0接口和高性能DSP的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，主要是為光纖通信中密集波分復(fù)用系統(tǒng)的波長檢測與調(diào)整所設(shè)計的，也可以應(yīng)用于像圖像處理、雷達(dá)信號處理等相關(guān)領(lǐng)域。

1 高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)原理及器件選用

整個高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件構(gòu)成為：高速ADC、高速大容量數(shù)據(jù)緩沖、高性能DSP和USB2.0接口。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

高性能DSP采用TI公司的TMS320C6000系列定點(diǎn)DSP中的TMS320C6203B；高速ADC采用TI公司的ADS5422，14位采樣，最高采樣頻率為62MHz；PC機(jī)接口采用USB2.0，理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率為480Mbps，器件選用Cypress公司EZ-USB FX2系列中的CY7C68013；數(shù)據(jù)緩沖采用IDT公司的高速大容量FIFO器件IDT72V2113；程序存儲在Flash存儲器中，器件選用SST291E010。下面逐一介紹各個器件的主要特性。

（1）TMS320C6203B

TMS320C6203B是美國TI公司高性能數(shù)字信號處理器TMS320C6000系列的一種，采用修正的哈佛總線結(jié)構(gòu)，共有1套256位的程序總線、兩套32位的程序總線和1套32位的DMA專用總線；內(nèi)部有8個功能單元可以并行操作，工作頻率最大為300MHz，最大處理能力為2400MIPS；內(nèi)部集成了外圍設(shè)備接口，如外部存儲器接口（EMIF）、外部擴(kuò)展總線（XB）、多通道緩沖串口（McBSPs）和主機(jī)接口（HPI），與外部存儲器、協(xié)處理器、主機(jī)以及串行設(shè)備的連接非常方便。

    （2）ADS5422    CY7C68013獨(dú)特的架構(gòu)具有如下特點(diǎn)：    2．2 ADS5422與IDT72V2113的連接

ADS5422是由美國TI公司生產(chǎn)的高速并行14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其最高采樣頻率達(dá)到62MHz，采樣頻率為100MHz時，SNR為72dB，SFDR為85dB。模擬信號輸入可以是單端輸入方式或者差分輸入方式，最高輸入信號峰峰值為4V，單一5V電源供電。輸出數(shù)字信號完全兼容3.3V器件，并且提供輸入信號滿量程標(biāo)志以及輸出數(shù)字信號有效標(biāo)志，從而方便和其它器件的連接。

（3）IDT72V2113

IDT72V2113是由美國IDT公司生產(chǎn)的高速大容量先進(jìn)先出存儲器件（FIFO）。其最高工作頻率為133MHz；容量為512KB，可以通過引腳方便地將容量設(shè)置成512K×9bit或者256K×18bit兩種方式；IDT72V2113可以設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)工作模式或者FWFT（First Word Fall Through）工作模式，并提供全滿、半滿、全空、將滿以及將空等五種標(biāo)志信號；非常方便進(jìn)行容量擴(kuò)展。容量擴(kuò)展是IDT72V2113的一大特點(diǎn)，擴(kuò)展方式可分為字長擴(kuò)展和字深擴(kuò)展。通過容易擴(kuò)展可以由多片IDT72V2113形式更大容量的緩沖，并且電路連接簡單、可靠。

（4）CY7C68013

CY7C68013是美國Cypress公司推出的USB2.0芯片，是一個全面集成的解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短開發(fā)時間。CY7C68013主要結(jié)構(gòu)如下：包括1個8051處理器、1個智能串行接口引擎（SIE）、1個USB收發(fā)器、16KB片上RAM（其中包括4KB FIFO）存儲器以主1個通用可編程接口（GPIF）。

①包括1個智能串行的接口引擎（SIE），它執(zhí)行所有基本的USB功能，將嵌入的MCU解放出來以用于實現(xiàn)其它豐富的功能，以保證持續(xù)高速有效的數(shù)據(jù)傳輸；

②具有4KB的大容量FIFO用于數(shù)據(jù)緩沖，當(dāng)作為從設(shè)備時，可采用Synchronous/Asynchronous FIFO接口與主設(shè)備（如ASIC，DSP等）連接；當(dāng)作為主設(shè)備時，可通過通用可編程接口（GPIF）形式任意 的控制波形來實現(xiàn)與其它從設(shè)備連接，能夠輕易地兼容絕大多數(shù)總線標(biāo)準(zhǔn)，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA等；

③固件軟配置，可將需要在CY7C68013上運(yùn)行的固件，存放在主機(jī)上，當(dāng)USB設(shè)備連上主機(jī)后，下載到設(shè)備上，這樣就實現(xiàn)了在不改動硬件的情況下很方便地修改固件；

④能夠充分實現(xiàn)USB2.0(2000版)協(xié)議，并向下兼容USB1.1。

2 高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件連接

2．1 模擬信號輸入電路

ADS5422的模擬信號輸入可以采取單端輸入方式或者差分輸入方式。單端輸入方式連接比較簡單，但抗噪性能差，所以我們采取差分輸入方式，以盡量減少信號噪聲以及電磁的干擾，尤其是采用差分輸入方式可以將所有偶次諧波通過正反反個輸入信號基本上互相抵消。

ADS5422的模擬信號差分輸入方式需要同時使用IN和IN引腳，其硬件連接方法如圖2所示。圖中，首先使用放大器OPA687以及RF變壓器將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號，然后輸入到ADS5422，其中ADS5422的公共端CM和RF變壓器的公共端連接，RF變壓器的匝數(shù)比應(yīng)該根據(jù)信號確定。為了增強(qiáng)信號的穩(wěn)定性，在ADS5422每個信號的輸入前加上RC低通濾波電路，圖2中推薦Rt為50Ω，Rin為22Ω，Cin為10pF，這些元件也可以根據(jù)具體的信號進(jìn)行調(diào)整，一般情況下電阻值在10～100Ω之間，電容值在10～200pF之間。

雖然ADS5422的供電電壓為5V，但其輸出的數(shù)字信號電平兼容3.3V電平，因此不需要電平轉(zhuǎn)換芯片，只要將ADS5422的數(shù)據(jù)線與IDT72V2113的數(shù)據(jù)線相連即可。但是，ADS5422采樣和存儲采樣數(shù)據(jù)到IDT72V3113中，這兩個操作對時序配置要求非常嚴(yán)格，如果兩者時序關(guān)系配合得不是很好，就會發(fā)生數(shù)據(jù)存儲出錯或者掉數(shù)。如何簡單、可靠地實現(xiàn)采樣和存儲是設(shè)計這部分電路的難點(diǎn)。一般的方法是，通過可編程邏輯器件（CPLD或FPGA）來實現(xiàn)ADC與FIFO存儲器之間的時序，即由CPLD或FPGA來控制ADC采樣和FIFO存儲器的寫操作。但是，通過仔細(xì)查看ADS5422和IDT72V2113的工作時序圖，找到了一種簡單可靠的實現(xiàn)方法，此方法不需要CPLD或FPGA就可以實現(xiàn)兩者的時序配合。

首先分析ADS5422的工作時序圖，如圖3所示，其中t1為采樣時鐘上跳沿到輸出數(shù)據(jù)無效之間的時間間隔，即數(shù)據(jù)保持時間，其大小為3ns。查看IDT72V2113的相關(guān)文檔可知，對其進(jìn)行寫操作時，數(shù)據(jù)線的保持時間大于1ns即可滿足要求。因此，ADS5422與IDT72V2113之間的時序配合可以采用以下簡單的實現(xiàn)方法：ADS5422的采樣時鐘和IDT72V2113的寫時鐘采用同一個時鐘源，這樣，每一個時鐘的上跳沿，ADS5422進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時將上個時鐘周期內(nèi)輸出的采樣數(shù)據(jù)存儲到DT72V2113內(nèi)部。

2．3 C6203B與IDT72V2113的連接

C6203B與IDT72V2113的連接是通過C6203B外部擴(kuò)展總線（XB）。C6203B的外部擴(kuò)展總線（XB）寬度為32位，可以實現(xiàn)與同步FIFO無縫連接，可以同時無縫實現(xiàn)四個FIFO寫接口或者實現(xiàn)3個FIFO寫接口及1個FIFO讀接口。通過無縫連接實現(xiàn)FIFO讀接口，F(xiàn)IFO必須連接到XCE3上，數(shù)據(jù)通過DMA方式從IDT72V2113傳送到C6203B的片內(nèi)RAM中，具體連接如圖4所示。圖4中，4片IDT72V2113經(jīng)過字長和字深擴(kuò)展形成2MB的數(shù)據(jù)輸入緩沖，輸入數(shù)據(jù)總線（D0～D15）、輸出數(shù)據(jù)總線（Q0～Q15）、讀使能（REN）、讀時鐘（RCLK）、寫使能（WEN）、寫時鐘（WCLK）和將空標(biāo)志信號（PAE）是由4片IDT72V2113的相應(yīng)信號組合形成的；XCE3為外部擴(kuò)展總線（XB）的空間選擇信號，XFCLK為外部擴(kuò)展總線（XB）的輸出時鐘，EXT_INT4是C6203B的外部中斷信號4，DX0用作通用輸出口，控制IDT72V2113的寫使能信號。

2.4 CY7C68013與C6203B的連接

CY7C68013是一個非常方便的USB2.0實現(xiàn)方案，它提供與DSP或者M(jìn)CU連接的接口，連接方法有兩種：Slave FIFOs和Master可編程接口GPIF。在本方案中，選用了Slave FIFOs方式，異步讀寫。Slave FIFOs方式是從機(jī)方式，DSP可以像讀寫普通FIFO一樣對CY7C68013內(nèi)部的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫。具體的電路連接如圖5所示。FLAGA、FLAGB和FLAGC是CY7C68013內(nèi)部FIFO的狀態(tài)標(biāo)志，C6203B通過通用I/O口來獲得FIFO的空、半滿（由用戶設(shè)定半滿的閾值）和滿等狀態(tài)信息。C6203B對CY7C68013內(nèi)部FIFO的選擇，以及數(shù)據(jù)包的提交也是通過通用I/O口來實現(xiàn)。C6203B通過EMIF接口的CE2空間對CY7C68013進(jìn)行讀寫操作。工作過程為：DSP通過USB向PC發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先查看空、半滿和滿這三個狀態(tài)信號，然后向USB寫入適當(dāng)大小的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)不會溢出；PC機(jī)通過USB向DSP發(fā)送命令字時，USB通過中斷方式通知DSP讀取命令字。

3 USB軟件設(shè)計

USB接口開發(fā)中有相當(dāng)大的工作量是關(guān)于USB軟件的開發(fā)，USB軟件包括三方面的工作：固件（firmware）設(shè)計，驅(qū)動程序設(shè)計和主機(jī)端應(yīng)用程序的設(shè)計。

3．1 固件設(shè)計

固件是運(yùn)行在CY7C68013上的程序，可采用匯編語言或C語言設(shè)計，其主要功能是控制CY7C68013接收并處理USB驅(qū)動程序的請求（如請求設(shè)備描述符、請求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)，請求或設(shè)置設(shè)備接口等USB2.0標(biāo)準(zhǔn)請求）、控制CY7C68013接收應(yīng)用程序的控制指令、通過CY7C68013存放數(shù)據(jù)并實時上傳至PC等。

本方案中的固件設(shè)計思路如下：

①使CY7C68013工作于異步從FIFO（Asynchronous Slave FIFO）模式。相應(yīng)的寄存器操作為：IFCONFIG=0xCB。

CY7C68013具有多種工作方式，除了可以作為能夠產(chǎn)生任意控制波形的主控芯片外，即使作為從設(shè)備，也可選擇異步還是同步方式。由于DSP的關(guān)系，本方案選擇異步從方式。

②將4KB的FIFO對應(yīng)兩個端點(diǎn)（EndPoint），即EndPoint2和EndPoint6。相應(yīng)的寄存器操作為：EP2CFG=0xA0,EP6CFG=0xF2。

EndPoint2與EndPoint6分別對應(yīng)2KB的內(nèi)裝中FIFO（下文分別稱為FIFO2、FIFO6），存放USB需要上傳與接收的數(shù)據(jù)。其中EndPoint2為OUT型，負(fù)責(zé)從主機(jī)接收數(shù)據(jù)；EndPoint6為IN型，負(fù)責(zé)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。另外，EndPoint2與EndPoint6均采用批量（BULK）傳輸方式，這種方式相對于其它USB2.0定義的傳輸方式具有數(shù)據(jù)可靠、傳輸速率高等特點(diǎn)，是最常用的傳輸方式。

③對FIFO進(jìn)行配置。相應(yīng)的寄存器操作為：EP2FIFOCFG=0x11，EP6FIFOCFG=0x0D。

本方案將FIFO2、FIFO6設(shè)置成自動方式。這里所謂“自動”，是指在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，不需要CY7C68013的8051內(nèi)核參與。如有特殊需要可以設(shè)成手動方式，這樣8051就可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，如圖6所示。另外還將FIFO配置成16位接口。

④其它操作。為了完善整個USB傳輸功能，提高固件的健壯性，還必須配以其它設(shè)計，這包括FIFO的自動清空復(fù)位，個性化命令等功能，在此就不進(jìn)行詳細(xì)討論了。

3．2 驅(qū)動程序設(shè)計

USB系統(tǒng)驅(qū)動程序采用分層結(jié)構(gòu)模型，分別為較高級的USB設(shè)備驅(qū)動程序和較低級的USB函數(shù)層。其中USB函數(shù)層由兩部分組成：較高級的通用串行總線驅(qū)動程序模塊（USBD）和較低級的主控制器驅(qū)動程序模塊（HCD）。在上述USB分層模塊中，USB函數(shù)層（USBD及HCD）由Windows提供，負(fù)責(zé)管理USB設(shè)備驅(qū)動程序和USB控制器之間的通信；加載及卸載USB驅(qū)動程序；與USB設(shè)備通用端點(diǎn)（EndPoint）建立通信并執(zhí)行設(shè)備配置、數(shù)據(jù)與USB協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務(wù)。目前Windows提供有多種USB設(shè)備驅(qū)動程序，但并不針對實時數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此USB設(shè)備驅(qū)動程序需由開發(fā)者自己編寫。

開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序，可采用Numega公司的開發(fā)包Driver Works和Microsoft公司的2000DDK，并以VC++6.0作為輔助開發(fā)環(huán)境。Driver Works提供的驅(qū)動向?qū)?，可根?jù)用戶的需要，自動生成代碼框架，減少了開發(fā)的難度，縮短了開發(fā)的周期。但是，Cypress公司為了方便用戶開發(fā)USB接口，在CY7C68013的開發(fā)包中提供了一個通用驅(qū)動程序，該程序可不加修改，經(jīng)DDK編譯后直接使用。在本設(shè)計方案中，采用的就是這個通用驅(qū)動程序。

3．3 應(yīng)用程序設(shè)計

主機(jī)應(yīng)用程序是主要實現(xiàn)從高速數(shù)據(jù)采集處理板該取處理后的數(shù)據(jù)、存儲、顯示處理結(jié)構(gòu)以及向數(shù)據(jù)采集處理板發(fā)送控制命令。在Windows 2000下，我們使用的應(yīng)用程序開發(fā)工具是VC++6.0。

4 系統(tǒng)工作原理

上電后，ADS5422一直工作，采樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是否存儲到IDT72V2113中，由C6203B的DX0引腳狀態(tài)來決定。C6203B進(jìn)行初始化，外部擴(kuò)展總線的XCE3設(shè)置為同步FIFO讀操作模式。DMA通道0配置為每次傳輸1幀，每幀 1024個半字，同步事件設(shè)置為外部中斷4，觸發(fā)極性為高電平，初始化定時器0，定時間隔為22ms。當(dāng)外部同步信號到來時，啟動定時器0，手動啟動DMA通道0，同時設(shè)置DX0為低電平。ADS5422采樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)開始寫入IDT72V2113，當(dāng)定時器0中斷到來時，設(shè)置DX0為高電平，關(guān)閉IDT72V2113的寫使能，采樣數(shù)據(jù)不再存儲到IDT72V2113內(nèi)。隨著數(shù)據(jù)不斷寫入IDT72V2113，當(dāng)其內(nèi)部的數(shù)據(jù)量大于1023個半字時，IDT72V2113的將空標(biāo)志信號（PAE）由低電平變?yōu)楦唠娖?，使得C6203B的外部中斷信號有效，從而觸發(fā)DMA傳輸，C6203B的DMA通道0通過外部擴(kuò)展總線（XB）讀取1024個半字的數(shù)據(jù)，存儲于內(nèi)部RAM中，傳輸結(jié)束后向C6203B發(fā)送中斷，通知C6203B處理數(shù)據(jù)。C6203B處理完數(shù)據(jù)后，通過USB2.0接口發(fā)送處理結(jié)果，然后重新啟動DMA通道0，進(jìn)行下一次DMA傳輸。如此循環(huán)，直到處理完所有數(shù)據(jù)。當(dāng)下一個外部同步信號到來時，進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)采集處理過程。

5 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了基于USB2.0接口和DSP的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、硬件連接以及USB2.0驅(qū)動程序和固件程序的開發(fā)。經(jīng)實際驗證，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，是一種比較好的高速數(shù)據(jù)采集與處理的解決方案