探究USB接口的VSAT基帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

“針對衛(wèi)星接收設(shè)備數(shù)據(jù)采集的實際需要，提出一種基于USB接口的VSAT（甚小口徑衛(wèi)星終端）基帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案。”

0 引言

在眾多的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，VSAT（甚小口徑衛(wèi)星終端）衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于具有眾多特點，近年來發(fā)展很快，特別在專業(yè)通信網(wǎng)領(lǐng)域存在廣闊的市場，利用此系統(tǒng)進行通信具有靈活性強、可靠性高、成本低、使用方便及小站可直接裝在用戶端等特點，并且VSAT用戶數(shù)據(jù)終端可直與計算機聯(lián)網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳遞、文件交換、圖像傳輸?shù)韧ㄐ湃蝿?wù)，從而擺脫了遠距離通信地面中繼站的問題，因此，此系統(tǒng)廣泛用于石油、銀行、鐵路、民航、軍事等行業(yè)。

在VSAT系統(tǒng)中，用戶終端通常是由數(shù)字衛(wèi)星接收機和計算機終端組成，數(shù)字衛(wèi)星接收機包括下變頻器、解碼器、FEC（前向糾錯），解復(fù)用器、數(shù)字基帶處理器和頻率合成器等部分，接收機輸出的數(shù)據(jù)一般通過RS－232，RS－422/449以1.2kbit/s－64kbit/s的數(shù)據(jù)率交給計算機完成應(yīng)用處理。

有些高速衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收設(shè)備解調(diào)以后，數(shù)據(jù)通過額外高速數(shù)據(jù)卡送入計算機。這種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)卡不僅安裝麻煩，且易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾，特別是這種卡通常只能接收單路數(shù)據(jù)，受計算機插槽數(shù)量和地址，中斷資源的限制，不可能掛接多個設(shè)備，因此，資源浪費尤其嚴重。

針對這種情況，本文結(jié)合衛(wèi)星接收設(shè)備數(shù)據(jù)采集的實際需要，設(shè)計了一種基于USB（通用串行總線）接口的USAT基帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對USB接口控制邏輯的合理設(shè)計和芯片內(nèi)部FIFO的有效運用，充分應(yīng)用了CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）的靈活性，僅采用單片USB接口控制芯片就實現(xiàn)了對多路多速率數(shù)字信號的實時采集，這與以往采用USB集線器來實現(xiàn)對多路多速率數(shù)字信號采集的系統(tǒng)相比，具有成本低、實現(xiàn)方便等優(yōu)點。

該系統(tǒng)最多可同時采集8路數(shù)字信號，單路最高速率可達2Mbit/s，系統(tǒng)用于控制的CPLD采用Altera公司的EPM7128SLC84；USB接口控制芯片采用Cypress公司EZ－USB FX2系列CY7C68013。

1 系統(tǒng)原理

1.1 USB簡介

USB（通用串行總線）是一種應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，支持在主機與各種即插即用外設(shè)之間進行數(shù)據(jù)傳輸，它由主機預(yù)定傳輸數(shù)據(jù)的標準協(xié)議，在總線上的各種設(shè)備分享USB總線帶寬，它的主要優(yōu)點是：數(shù)據(jù)傳輸速率明顯快于一般的串口，支持控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸?shù)暮屯絺鬏?種傳輸方式，以滿足不同外設(shè)的需要，最多可連接127個外設(shè)，支持熱拔插和即插即用，占用的系統(tǒng)資源少（只占用1個IRP（I/O請求包））；無總線競爭等。

USB總線技術(shù)的提出就是想利用單一的總線技術(shù)來滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需要，USB1.1協(xié)議支持低速1.5Mbit/s和全速12Mbit/s兩種傳輸速度。2000年發(fā)布了USB2.0協(xié)議，它向下兼容USB1.1協(xié)議，但在USB1.1的基礎(chǔ)上有了質(zhì)的提高，其理論傳輸速度可到480Mbit/s。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)總體框架分采集控制部分、USB接口控制部分和主機3部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

外部輸入的8路信號中時鐘、數(shù)據(jù)均為TTL電平，采集用的統(tǒng)一時鐘為3M赫茲，是由USB控制芯片的外部時鐘經(jīng)八分頻得到的。

系統(tǒng)的工作過程如下：每路信號在CPLD的控制下，按采集時鐘的統(tǒng)一節(jié)拍，各路信號的數(shù)據(jù)和時鐘都被采集進CPLD。在CPLD內(nèi)，先進行各路信號的時鐘上升沿檢測，如檢測到時鐘上升沿，則在相應(yīng)路數(shù)的標志位置1，這表明此時采到的數(shù)據(jù)有效，若沒檢測到時鐘上升沿，則在相應(yīng)路數(shù)地標志位置0，表明此時采集的數(shù)據(jù)無效，這樣形成的各路信號數(shù)據(jù)。

再加上各路信號數(shù)據(jù)是否有效的標志，形成2字節(jié)的數(shù)據(jù)送入USB控制芯片的FIFO中，數(shù)據(jù)進入USB控制芯片后，通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，數(shù)據(jù)在主機中用軟件進行處理，按照各路信號數(shù)據(jù)是否有效的標志位，將有效數(shù)據(jù)取出，組合成各路數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)送入主機時的格式如圖2所示，前一字節(jié)為各路信號數(shù)據(jù)是否有效的標志，緊跟著的字節(jié)為各路信號的實際數(shù)據(jù)，采用這種特殊的數(shù)據(jù)格式，以區(qū)分各路信號，便于采用統(tǒng)一的時鐘來實現(xiàn)對多路多速率數(shù)字信號的實時采集，從而減少了很多硬件電路，降低了成本和復(fù)雜性，實現(xiàn)更為方便，這也是本系統(tǒng)的一個創(chuàng)新點。

2 硬件構(gòu)成

2.1 EZ－USB FX2（CY7C68013）芯片

CY7C68013屬于Cypress公司的FX2系列產(chǎn)品，它提供了對USB2.0的完整解決方案，該芯片雖然采用低價的8051單片機，但仍然能獲得很高的速度，主要包括USB2.0收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強型8051處理器、8.5KB的片上RAM，4KB FIFO存儲器、I/O口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和GPIF（通用可編程接口）。

CY7C68013與外設(shè)有可編程接口GPIE和從FIFO兩種接口方式?？删幊探涌贕PIF是主機方式，可以由軟件設(shè)置讀寫控制波形，靈活性很大，幾乎可以對任何8bit/16bit接口的控制器、存儲器和總線進行數(shù)據(jù)的主動讀寫，使用非常靈活，從FIFO方式是從機方式，外部控制器可像對普通FIFO一樣對FX2的多層緩沖FIFO進行讀寫。在本設(shè)計中為了方便控制，采用從FIFO方式。

2.2 CPLD芯片EPM7128SLC84

在本設(shè)計中，所用的CPLD采用Altera公司的EPM7128SLC84。它屬于MAX7000系列，是Altera公司的基于第2代MAX結(jié)構(gòu)的CPLD。它提供多達5000個可用門、128個宏單元，其引腳到引腳延時快達6ns。

可以容納各種獨立的組合邏輯和時序邏輯功能，EPM7128S的優(yōu)點是它基于E2PROM，可以通過JTAG口進行在線編輯，設(shè)計者可將設(shè)計內(nèi)容從PC機上通過下載電纜和JTAG口對EPM7128S進行任意次修改，它有多達100個I/O引腳可供編程使用，方便系統(tǒng)擴展存儲空間和外設(shè)。

本系統(tǒng)使用EPM7128S的主要功能是對各路信號的時鐘上升沿進行檢測，另外還需要完成一些控制功能，完成各路信號數(shù)據(jù)的合路，形成特定的數(shù)據(jù)格式，送入USB控制芯片的FIFO中。

2.3 硬件連接

根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蛯崟r性的要求，配置CY7C6013的工作接口模式為從FIFO模式，硬件連接方式如圖3所示。

CPLD控制采集外部數(shù)據(jù)的時鐘可同時作為CY7C68013的從FIFO模式的讀寫控制時鐘，即CY7C68013的接口時鐘連接到IFCLK引腳，F(xiàn)LAGA－FLAGD為FIFO標志引腳，用于映射FIFO的當前狀態(tài)，SLWR/SLRD是CY7C68013從FIFO的寫使能/讀允許信號，CPLD向CY7C68013從FIFO提供從FIFO輸出允許信號SLOE，僅在數(shù)據(jù)輸出時有效，F(xiàn)D［15：0］為16位雙向數(shù)據(jù)總線。FIFOADR［1：0］為端點FIFO選擇信號。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計部分包括固件、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的設(shè)計。

3.1 USB設(shè)備固件程序設(shè)計

固件程序是指運行在設(shè)備CPU中的程序，是整個程序設(shè)備的核心，可采用匯編語言和C語言設(shè)計，CyPress為用戶提供了一個固件程序框架，幫助用戶完成相當一部分USB協(xié)議相關(guān)的工作，用戶只需根據(jù)外設(shè)功能的具體要求，在相應(yīng)的函數(shù)中填寫函數(shù)體。Cypress提供的這一框架程序簡化了用戶的固件程序設(shè)計。

本系統(tǒng)固件開發(fā)所使用的編程語言為德國Keil公司的C51編譯器，集成開發(fā)環(huán)境為μVision2，該固件共包含以下5個文件：

1）ez－usb.lib

是EZ USB函數(shù)庫對象程序代碼。

2）usbjmptb.obj

定義了FX2中INT2和INT4的中斷跳轉(zhuǎn)表。

3）dscr.a51

包含描述符的表數(shù)據(jù)，包括設(shè)備描述符、設(shè)置描述符、接口描述符、端點描述符和字串描述符等，用來定義設(shè)備的ID號、端點的設(shè)置特性，主機就是通過讀取設(shè)備的描述符來獲取USB外設(shè)的功能特性，從而給設(shè)備加載相應(yīng)的驅(qū)動程序并配置設(shè)備。

4）fw.c

是固件運行的主程序文件，負責處理主機發(fā)出的各種USB設(shè)備請求，該程序首先初始化所有的內(nèi)部狀態(tài)變量，然后調(diào)用TD_Init函數(shù)進行初始化，并打開中斷。之后，固件程序開始列舉USB設(shè)備，直至在端點0上接收到SETUP令牌包時為止。一旦接收到STUP令牌，其將重復(fù)執(zhí)行下面的任務(wù)分配過程：調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll，以完成用戶指定的任務(wù)；檢測是否有USB設(shè)備請求（SETUP令牌）如果有，則執(zhí)行指令并作出相應(yīng)的操作，如果沒有，則繼續(xù)向下執(zhí)行，檢測USB核是否有USB掛起實踐，如果有USB掛起事件，則調(diào)用用戶程序TD_Suspend，交由用戶處理；當TD_Suspend返回為真時，USB核檢測是否重新開始事件，如果沒有USB掛起事件，則使處理器處于掛起狀態(tài)，當檢測有重新開始的事件，USB核調(diào)用用戶程序TD_Resume，并繼續(xù)執(zhí)行本步驟，當TD_Suspend返回為假時，則繼續(xù)執(zhí)行本步驟。

5）periph.c

包含各種用戶功能函數(shù)（如TD_Init、TD_Poll等）及其INT2中斷服務(wù)子程序的定義，它實現(xiàn)了本系統(tǒng)的主要功能。

在本系統(tǒng)中，把端點2配置為批量傳輸、IN方向，封包大小為512字節(jié)，每微幀包含2個封包，數(shù)據(jù)傳輸速率為64Mbit/s為就可滿足實際需要，終端0作為默認的控制傳輸管道來處理USB事件。

3.2 驅(qū)動程序設(shè)計

FX2的設(shè)備驅(qū)動程序有兩種：一種用來在設(shè)備接入時從主機下載固件到RAM中，稱為固件下載驅(qū)動程序（ezloader.sys）；另一種是在設(shè)備重新列舉后加載的設(shè)備驅(qū)動程序（ezusb.sys）。應(yīng)用軟件通過該設(shè)備驅(qū)動程序與FX2通信。

固件的程序代碼既可以通過外部E2PROM下載，也可以通過主機下載在本系統(tǒng)中選擇從主機下載，此時外接E2PROM中存放的是固件下載的PID/VID，且第1個字節(jié)是0xC0H，系統(tǒng)通過該PID/VID找到固件下載驅(qū)動程序（ezloader.sys）將相應(yīng)的固件代碼下載到FX2的RAM中。

ezloader.sys的生成是利用Cypress公司提供的固件下載驅(qū)動程序源代碼和用戶編譯成功的固件代碼。在Win2000 DDK中創(chuàng)建的，并根據(jù)E2PROM提供的PID/VID修改相應(yīng)的.inf文件，在將固件下載RAM中后，系統(tǒng)清楚內(nèi)存中的固件下載驅(qū)動程序，并進行重新列舉，讓C8051固件控制FX2，此時，系統(tǒng)獲得由C8051固件提供的PID/VID（與E2PROM中的不同），認為有新的USB設(shè)備接入，并據(jù)此加載相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。

Ezusb.sys是本系統(tǒng)運行時所使用的主要驅(qū)動程序，它定義了幾個IOCTL代碼，其中：IOCTL_Ezusb_GET_DEVICE_DESCRIPTOR用于讀取USB設(shè)備描述符；IOCTL_Ezusb_GET_CONFIGURATION_DESCRIPTOR用于讀取USB設(shè)備的配置信息，IOCTL_Ezusb_BULK_READ用于主機讀取USB設(shè)備發(fā)出的塊數(shù)據(jù)，IOCTL_Ezusb_GET_CURRENT_FRAME_NUMBER，用于讀取USB傳輸過程中當前的幀序號。

3.3 用戶程序設(shè)計

應(yīng)用程序開發(fā)中，可用VC＋＋編制應(yīng)用程序。所有的用戶程序是通過I/O控制調(diào)用來訪問EZ－USB的設(shè)備驅(qū)動程序的，可以把EZ－USB設(shè)備當成文件來操作，利用CreateFile得到EZ－USB句柄，通過得到的句柄，用一個Win32函數(shù)DeviceIoControl（），把IOCTL和相關(guān)的輸入輸出緩沖區(qū)提交給驅(qū)動程序，來進行控制傳輸，用ReadFile，WriteFile進行批量傳輸。當應(yīng)用軟件退出時，用CloseHandle（）關(guān)閉設(shè)備。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合實際工程的需要，提出了基于USB接口的VSAT基帶數(shù)據(jù)采集的設(shè)計方案，并給出了硬件系統(tǒng)及軟件設(shè)計方法，在USAT通信的實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)與后端軟件結(jié)合，很容易實現(xiàn)對VSAT數(shù)據(jù)的分析與處理，可廣泛應(yīng)用于VSAT通信系統(tǒng)中。

編輯：jq