基于TMS320C6713的USB数据传输系统设计

摘要：介绍了基于TMS320C6713的USB数据传输系统。该系统以TMS320C6713作为主控制器，通过CY7C68001USB控制器连接TMS320C6713与PC主机，克服了传统的数据传输量小，传输速度慢的缺点，能更好地满足大容量数据的传输要求。在此详细阐明了系统的硬件设计方案和软件设计思想，并进行实现。结果证明，研制的系统具有传输速率高，可靠性好的优点。
关键词：高速数据传输；USB 2．0；DSP；VC++

0 引言
    近年来，随着DSP技术的不断发展，数据采集和处理技术已经广泛应用于通信、雷达、遥测遥感等各个领域。声信号数据采集具有采集量大，速度快的特点，因此，在DSP与主机进行数据传输时，需要采用高速通信接口。传统的接口一般采用PCI总线或RS 232串行总线。PCI总线传输速率可达132 Mb／s，但其扩充槽有限且插拔不方便；RS 232串行总线连接比较方便，但是传输速率太慢，不易用于高速传送数据和传送大量数据。随着计算机技术的不断发展，越来越多的计算机不再为用户提供PCI和RS 232外部接口，USB逐渐成为统一的标准外设接口。通用串行总线(USB)集中了PCI和RS 232串行总线的优点，具有方便的即插即用和热插拔特性以及较高的传输速率。其中，USB 2．0的速率最高可达480 Mb／s，满足高速数据传输的要求。
    该系统采用TMS320C6713，配合嵌入USB 2．0协议的芯片CY7C68001，实现了PC主机与DSP间的高速数据传输。

1 芯片介绍
    TMS320C6713为高性能32位浮点DSP，适用于专业音频信号处理，其主频可达300 MHz，处理速度高达2 400 MIPS／1 800MFLOPS。其内部采用改进的哈佛结构；具有256 KB的片上存储空间；丰富的外设包括2个多通道缓冲串口(McBSP)、2个多通道音频串口(McASP)、SPI和I2C等；增强的直接存储器访问(EDMA)控制器，可控制16个独立通道完成不受CPU干预的数据传输；32 b的外部存储器接口(EMIF)，能与SRAM，ERPOM，FLASH，SBSRAM和SDRAM无缝连接。
    Cypress公司的CY7C68001集成了USB 2．0收发器(物理层)以及USB 2．0串行接口引擎SIE(链路层，实现底层通信协议)，可工作在USB 2．0高速和全速状态。它的最高速度可达480 Mb／s，具有2个外部接口，均可通过同步或异步方式进行访问。其命令接口用来访问CY7C68001寄存器、Endpoint0寄存器以及描述表，FIFO数据接口用来访问4个1 KB的FIFO。

2 硬件设计
    TMS320C6713通过EMIF的CE3存储空间可以外扩USB 2．0接口，因此在对外扩USB进行读／写访问前，需要通过EMIF的CE3控制寄存器CE3CTL来配置CE3空间的存储器接口的类型、存储器宽度及读写时序(建立时间、系统时间、保持时间等)，具体配置在USB程序配置中详细给出。
    CY7C68001采用并行异步存储器接口通过可编程逻辑芯片CPLD与TMS320C6713相连接。其原理框图如图1所示。

    由于在USB数据传输过程中，EMIF接口的片选信号会长时间片选CE3空间，因此，需要避免TMS320C6713在USB数据传输过程中使用通过EMIF接口通过其他CEX空间外扩的SDRAM、SBSRAM等存储器，否则会造成USB数据的错误传输。
    CY7C68001除了存储器接口外，还有1个中断信号和4个状态信号(READY，FLAGA，FLAGB和FLAGC)。中断信号采用TMS320C67 13的外部中断EXT_INT6。
    TMS320C6713使用CY7C68001作为从设备。在这种模式下，DSP可以像读／写普通FIFO一样对CY7C68001内部的FIFO进行读／写。PC主机发出命令的同时也由CY7C68001的引脚提供中断触发信号给DSP的EXT_INT6。其上升沿被检测到以后，DSP就进入相应中断服务程序，开始处理USB的传输。DSP通过EA[4：2]连接FIFOA[2：0]对CY7C68001内部FIFO或命令口进行选择。读／写数据通过ED[15：0]与FIFO[15：0]连接进行。FIFO和命令口的选择和地址分配如表1所示。

    经实验验证，USB异步传输速率可达3 Mb／s。

3 USB程序配置
    USB程序在实现了在DSP端对USB初始化和USB数据传输。USB定义了4种传输类型：同步传输、中断传输、控制传输和块传输。同步传输适用于传输大量的、速度恒定的、且对服务周期有要求的数据；中断传输适用于传输少量或中量的、且对服务周期有要求的数据；控制传输适用于传输少量的、且对传输时间和传输速率均无要求，但必须保证传输的数据；块传输适用于传输大量的、且对传输时间和传输速率均无要求的数据。该系统设计CY7C68001采用并行异步存储器接口与TMS320C6713相连接，数据传输量较大，要求数据传输的准确性，因此选择块传输作为USB的传输方式。
    首先，通过调用用户的初始化函数，使能外部中断并初始化USB寄存器。之后，程序通过数据传输函数，完成了DSP与PC机的数据传输。
    USB初始化程序配置为：使能外部中断6(EXT_INT6)；加载USB描述表，并进行自举检测，如自举不成功，则重新自举，直到端点0收到设置包为止；配置USB为异步从FIFO(Asynchronous Slave FIFO)模式，采用内部的48 MHz时钟源；读取FNADDR寄存器，判断USB工作状态；依据USB工作状态，配置EP2，EP4，EP6，EP8，并设置一次传送的字节长度。设置EP2，EP4为BULK OUT，EP6，EP8为BULK IN。其缓冲大小分别为2×512B。
    在数据传输过程中，PC端通过EP2向DSP发送读数据命令，DSP通过外部中断收到读命令后，使用EP6发送已采集好的数据。在声音数据采集系统中，每路麦克风以每秒96 kHz进行24位采样，按照ping-pong方式进行存储。因此在USB_TRANSFER()还需进行判断，当采集数据存储在ping缓存时，发送pong缓存中的数据；当采集数据存储在pong缓存时，发送ping缓存的数据。
    数据传输程序配置如下：判断EP2是否有读命令；传输存放在ping，pong缓存中已采集到的数据。
    程序中部分代码如下：

   
    其中，通过Read_SX2reg()可判断FIFO中的数据是否被发送，若被发送，则FIFO寄存器标志为空，反之，标志为满。SX2_Fifo_Write()向相应的FIFO中写入传输数据。其中ENDPOINT6表示使用EP6端点进行发送，ping+pingcnt表示要发送数据的首地址，FifoLength为发送数据的长度。系统采用USB 2．0进行数据传输，每个EP的FIFO缓冲大小为512 B，CY7C68001采用16位数据线与TMS320C613相连，故FifoLength大小设为256 B。
    由于TMS320C6713通过EMIF的CE3存储空间可以外扩USB 2．0接口，还需对。EMIF接口的CE3寄存器进行配置，将USB接口设为16位异步存储接口，设定读／写的建立时间(Setup)、促发时间(Strobe)、保持时间，使其满足CY7C68001的读／写时序要求。具体配置如下：
   

4 PC端应用程序
    PC主机端需要编写USB设备驱动程序和应用程序。USB设备驱动程序主要通过调用微软的USBD．SYS来实现PC机于USB总线的数据交换，采用WDM(Windows Driver Mode)驱动程序进行编写，分为USB底层驱动程序和USB功能驱动程序。USB底层驱动程序由操作系统提供，USB功能驱动程序由设备开发者进行编写。
    PC端应用程序采用VC++6．0编写应用程序，首先调用OpenDriver()打开USB接口设备，获得设备的句柄hDevice，之后调用Sx2SendVendor Req()函数向外设发出命令，读取USB配置，最后调用Sx2BulkdataTrans()进行数据传输，通过调用CFile类将接收到的数据存放在文件名为“Collection．txt”的文本文件中。程序使用多线程技术，使得应用程序将USB数据传输在后台进行处理，应用程序前台还可进行其他操作。
    程序简单实现如下功能：当点击“Start Sample”按钮时，开始进行USB数据传输，点击“Stop Sample”按钮时，停止USB数据传输。采样的多通道数据在应用程序中进行图像显示，方便对数据的判断。
    程序关键函数如下：
   
    函数中myRequest的成员变量与DSP中断程序中SetupBuff缓冲区的 8 B数据相对应，Sx2SendVendotReq()通过调用Windows API函数Devi ceIoControl()向DSP中发送命令，DSP端程序需与之配合，返回相应的数据，完成读取USB配置。
   
    通过对函数中bulkControl的成员变量pipenumber设置，确定PC主机端与CY7C68001的哪个端点进行数据传输，Sx2BulkdataTrans()也通过调用Windows API函数DeviceIoControl()向DSP中发送读／写数据命令，被传输的数据保存在buffer中。
    应用程序界面如图2所示。

5 实验验证
    验证思路：对保存在Collection．txt中的数据进行处理，Collection．txt保存的数据为多通道数据，所以需要对数据进行区分，由于sound()函数调用PC机的声卡，绝大多数声卡支持的数据采样频率在5～44．1 kHz之间。因此对采样的96 kHz进行抽样，将其转化为24 kHz，利用Matlab中的sound()函数，对采样数据进行声音还原，判断采集的数据是否正确。
    sound(y，Fs)函数可以发送频率为Fs的向量信号y到Microsoft Windows操作平台的扬声器，产生声音信号，数值y的范围为[-1，+1]，超过该范围的数据将不能播放。该系统采用24位采样，采样所得数据为整形数据，故需将整形数据转化到[-1，+1]的浮点数据。
    程序关键代码如下：
   
    经验证可得，还原声音与采样声音一致，USB数据传输正确可靠。

6 结语
    系统采用USB 2．0作为通信接口，具有较高的传输速率，满足数据采集系统要求。同时设计了DSP端与PC机端相应的软件，其中PC端应用程序利用VC的MFC框架资源丰富的特点，设计界面直观友好，具有较强的扩充性。在实际运用中，系统稳定可靠，为高速数据的传输和处理提供了有力的保障。