基于DSP CPLD信號(hào)采集系統(tǒng)通訊接口設(shè)計(jì)

　隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)理論的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展也是日新月異。不僅執(zhí) 行指令速度越來(lái)越快，而且其功耗也越來(lái)越低。許多儀器或檢測(cè)設(shè)備都不約而同地將DSP 應(yīng)用到那些數(shù)據(jù)量龐大而且需實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。核信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也不例外，利用 DSP 可以實(shí)時(shí)有效地處理采集的信號(hào)，并將處理數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。通常 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下位機(jī)與上位機(jī)的通訊采用串口方式，這種方式不僅協(xié)議簡(jiǎn)單，而且連接方便。
　　但是這種方式的數(shù)據(jù)傳送速率不高，而USB 總線(xiàn)接口具有方便快捷、支持即插即用、可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。USB 總線(xiàn)接口在USB1.1 協(xié)議下傳輸速率可達(dá)12Mbps ，USB2.0 協(xié)議下可達(dá)480Mbps ，完全可以滿(mǎn)足目前的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)對(duì)于 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸速率越來(lái)越高的要求。因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中其通訊方式采用USB（Universal Serial Bus）總線(xiàn)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(diǎn)DSP 芯片TMS320VC5502。
　　1．CY7C68001USB 控制芯片介紹
　　CY7C68001 是由美國(guó)Cypress 公司開(kāi)發(fā)的高速USB 芯片，支持USB2.0 協(xié)議。其內(nèi)部 集成有USB 收發(fā)器（物理層）、USB 串行接口引擎SIE（鏈路層，實(shí)現(xiàn)底層通信協(xié)議）、4KB的FIFO 以及電壓調(diào)節(jié)器、鎖相環(huán)；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(shù)據(jù)總線(xiàn)方式，具有同步和異步的FIFO 接口。CY7C68001 被用來(lái)與DSP、 ASIC、FPGA 等控制器連接實(shí)現(xiàn)USB 的功能，其內(nèi)部不含微控制器。同時(shí)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(mǎn)足用戶(hù)對(duì)各種傳輸方式的要求。由于該控制芯片內(nèi)不含微控制器，USB 的應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)該由DSP 編程實(shí)現(xiàn)，USB 固件的加載必須靠DSP 控制CY7C68001 完成。
　　2．通訊接口系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　整個(gè)采集系統(tǒng)包括的部分有傳感器信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、FIFO 數(shù)據(jù)緩沖單元、 DSP 控制器、FLASH 程序存儲(chǔ)單元、CPLD 邏輯控制單元、與上位機(jī)連接的USB 通訊單元。 其中與PC 機(jī)通訊的USB 單元硬件接口框圖如下圖所示。
　　
　　圖 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與PC 機(jī)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(gè)系統(tǒng)所需的器件數(shù)目較多，由此帶來(lái)的邏輯控制較為復(fù)雜， 而DSP 的I/O 接口有限，故在系統(tǒng)中加入了CPLD 邏輯控制單元，用于產(chǎn)生電路中需要的 邏輯狀態(tài)。同時(shí)用CPLD 中還實(shí)現(xiàn)了寄存器功能，這部分寄存器用于表征USB 通訊時(shí)各種狀態(tài)信息，便于DSP 查詢(xún)。
　　CY7C68001 USB 控制器與TMS320VC5502 采用EMIF 連接方式，并將USB 控制器中 的存儲(chǔ)器配置到CE1 空間。同時(shí)采用異步讀寫(xiě)方式完成TMS320VC5502 與CY7C68001 之 間的數(shù)據(jù)和命令交換。系統(tǒng)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(tǒng)采用EEPROM 方式。
　　3．通訊接口系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　3.1 主機(jī)端軟件設(shè)計(jì)
　　主機(jī)端軟件的功能主要是完成下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)的接收、顯示、分析等。由于信號(hào)采集的 數(shù)據(jù)量較大，所以在USB 傳輸方式上采用批量傳輸方式。 主機(jī)端軟件的設(shè)計(jì)包含3 個(gè)方面：
　　（1）USB 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
　　USB 驅(qū)動(dòng)程序的功能主要是實(shí)現(xiàn)USB 發(fā)現(xiàn)、配置、關(guān)閉以及數(shù)據(jù)的傳送接口控制。 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是基于WDM （Windows driver model ，驅(qū)動(dòng)程序模型）的。WDM 采用分層驅(qū)動(dòng)程序模型，分為較高級(jí)的USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和較低級(jí)的USB 函數(shù)層。其中 USB 函數(shù)層由兩部分組成：較高級(jí)的通用串行總線(xiàn)模塊（US-BD）和較低級(jí)的主控制器驅(qū)動(dòng)程 序模塊（HCD）。在上述USB 分層模塊中，USB 函數(shù)層由操作系統(tǒng)提供，負(fù)責(zé)管理USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和USB 控制器之間的通信、加載及卸載USB 驅(qū)動(dòng)程序，與USB 設(shè)備通用端點(diǎn)建立通信來(lái)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)。
　?。?）安裝USB 的信息文件（.inf）
　　這一步用于將驅(qū)動(dòng)程序綁定到特定設(shè)備的Verdor ID （VID） 和Product ID（ PID）。當(dāng)USB 設(shè)備插入計(jì)算機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)檢測(cè)到設(shè)備插入后自動(dòng)發(fā)出查詢(xún)請(qǐng)求；USB 設(shè)備回應(yīng)該請(qǐng)求， 并送出設(shè)備的VID /PID。計(jì)算機(jī)根據(jù)這兩個(gè)ID 裝載相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，完成枚舉。
　?。?）用戶(hù)應(yīng)用程序
　　用戶(hù)應(yīng)用程序是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，其主要功能為：開(kāi)啟或關(guān)閉USB 設(shè)備、檢測(cè)USB 設(shè)備、設(shè)置USB 數(shù)據(jù)傳輸管道、設(shè)置A /D 狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實(shí)時(shí)從USB 接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。整個(gè)應(yīng)用程序采用Microsoft Visual C++編寫(xiě)，通過(guò)對(duì)界面的控制實(shí)現(xiàn) A/D 的采樣以及數(shù)據(jù)的顯示。