USB2.0接口和DSP构成的高速数据采集系统
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关键词：USB2.0 CY7C68013 DSP 高速数据采集
随着数字信号处理理论和计算机的不断发展，现代工业生产和科学技术研究都需要借助于数字处理方法。进行数字处理的先决条件是将所研究的对象进行数字化，因此数据采集与处理技术日益得到重视。在图像处理、瞬态信号检测、软件无线电等一些领域，更是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集与处理技术。现在的高速数据采集处理卡一般采用高性能数字信号处理器（DSP）和高速总线技术的框架结构。DSP用于完成计算量巨大的实时处理算法，高速总线技术则完成处理结果或者采样数据的快速传输。DSP主要采用TI或者ADI公司的产品，高速总线可以采用ISA、PCI、USB等总线技术。目前，使用比较广泛的是PCI总线，虽然其有很多优点，但是存在如下严重缺陷；易受机箱内环境的影响，受计算机插槽数量的地址、中断资源的限制而不可能挂接很多设备等。USB总线由于具有安装方便、高带这、易扩展等优点，其中USB2.0标准有着高达4800bps的传输速率，已经逐渐成为计算机接口的主流。本文介绍一个采用USB2.0接口和高性能DSP的高速数据采集处理系统，主要是为光纤通信中密集波分复用系统的波长检测与调整所设计的，也可以应用于像图像处理、雷达信号处理等相关领域。
1 高速数据采集处理系统原理及器件选用
整个高速数据采集处理系统的硬件构成为：高速ADC、高速大容量数据缓冲、高性能DSP和USB2.0接口。系统的原理框图如图1所示。
高性能DSP采用TI公司的TMS320C6000系列定点DSP中的TMS320C6203B；高速ADC采用TI公司的ADS5422，14位采样，最高采样频率为62MHz；PC机接口采用USB2.0，理论最大数据传输速率为480Mbps，器件选用Cypress公司EZ-USB FX2系列中的CY7C68013；数据缓冲采用IDT公司的高速大容量FIFO器件IDT72V2113；程序存储在Flash存储器中，器件选用SST291E010。下面逐一介绍各个器件的主要特性。
（1）TMS320C6203B
TMS320C6203B是美国TI公司高性能数字信号处理器TMS320C6000系列的一种，采用修正的哈佛总线结构，共有1套256位的程序总线、两套32位的程序总线和1套32位的DMA专用总线；内部有8个功能单元可以并行操作，工作频率最大为300MHz，最大处理能力为2400MIPS；内部集成了外围设备接口，如外部存储器接口（EMIF）、外部扩展总线（XB）、多通道缓冲串口（McBSPs）和主机接口（HPI），与外部存储器、协处理器、主机以及串行设备的连接非常方便。
（2）ADS5422
ADS5422是由美国TI公司生产的高速并行14位模数转换器，其最高采样频率达到62MHz，采样频率为100MHz时，SNR为72dB，SFDR为85dB。模拟信号输入可以是单端输入方式或者差分输入方式，最高输入信号峰峰值为4V，单一5V电源供电。输出数字信号完全兼容3.3V器件，并且提供输入信号满量程标志以及输出数字信号有效标志，从而方便和其它器件的连接。
（3）IDT72V2113
IDT72V2113是由美国IDT公司生产的高速大容量先进先出存储器件（FIFO）。其最高工作频率为133MHz；容量为512KB，可以通过引脚方便地将容量设置成512K×9bit或者256K×18bit两种方式；IDT72V2113可以设置标准工作模式或者FWFT（First Word Fall Through）工作模式，并提供全满、半满、全空、将满以及将空等五种标志信号；非常方便进行容量扩展。容量扩展是IDT72V2113的一大特点，扩展方式可分为字长扩展和字深扩展。通过容易扩展可以由多片IDT72V2113形式更大容量的缓冲，并且电路连接简单、可靠。
（4）CY7C68013
CY7C68013是美国Cypress公司推出的USB2.0芯片，是一个全面集成的解决方案，它占用更少的电路板空间，并缩短开发时间。CY7C68013主要结构如下：包括1个8051处理器、1个智能串行接口引擎（SIE）、1个USB收发器、16KB片上RAM（其中包括4KB FIFO）存储器以主1个通用可编程接口（GPIF）。
图3
CY7C68013独特的架构具有如下特点：
①包括1个智能串行的接口引擎（SIE），它执行所有基本的USB功能，将嵌入的MCU解放出来以用于实现其它丰富的功能，以保证持续高速有效的数据传输；
②具有4KB的大容量FIFO用于数据缓冲，当作为从设备时，可采用Synchronous/Asynchronous FIFO接口与主设备（如ASIC，DSP等）连接；当作为主设备时，可通过通用可编程接口（GPIF）形式任意 的控制波形来实现与其它从设备连接，能够轻易地兼容绝大多数总线标准，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA等；
③固件软配置，可将需要在CY7C68013上运行的固件，存放在主机上，当USB设备连上主机后，下载到设备上，这样就实现了在不改动硬件的情况下很方便地修改固件；
④能够充分实现USB2.0(2000版)协议，并向下兼容USB1.1。
2 高速数据采集处理系统的硬件连接
2．1 模拟信号输入电路
ADS5422的模拟信号输入可以采取单端输入方式或者差分输入方式。单端输入方式连接比较简单，但抗噪性能差，所以我们采取差分输入方式，以尽量减少信号噪声以及电磁的干扰，尤其是采用差分输入方式可以将所有偶次谐波通过正反反个输入信号基本上互相抵消。
ADS5422的模拟信号差分输入方式需要同时使用IN和IN引脚，其硬件连接方法如图2所示。图中，首先使用放大器OPA687以及RF变压器将单端信号转换成差分信号，然后输入到ADS5422，其中ADS5422的公共端CM和RF变压器的公共端连接，RF变压器的匝数比应该根据信号确定。为了增强信号的稳定性，在ADS5422每个信号的输入前加上RC低通滤波电路，图2中推荐Rt为50Ω，Rin为22Ω，Cin为10pF，这些元件也可以根据具体的信号进行调整，一般情况下电阻值在10～100Ω之间，电容值在10～200pF之间。
图4
2．2 ADS5422与IDT72V2113的连接
虽然ADS5422的供电电压为5V，但其输出的数字信号电平兼容3.3V电平，因此不需要电平转换芯片，只要将ADS5422的数据线与IDT72V2113的数据线相连即可。但是，ADS5422采样和存储采样数据到IDT72V3113中，这两个操作对时序配置要求非常严格，如果两者时序关系配合得不是很好，就会发生数据存储出错或者掉数。如何简单、可靠地实现采样和存储是设计这部分电路的难点。一般的方法是，通过可编程逻辑器件（CPLD或FPGA）来实现ADC与FIFO存储器之间的时序，即由CPLD或FPGA来控制ADC采样和FIFO存储器的写操作。但是，通过仔细查看ADS5422和IDT72V2113的工作时序图，找到了一种简单可靠的实现方法，此方法不需要CPLD或FPGA就可以实现两者的时序配合。
首先分析ADS5422的工作时序图，如图3所示，其中t1为采样时钟上跳沿到输出数据无效之间的时间间隔，即数据保持时间，其大小为3ns。查看IDT72V2113的相关文档可知，对其进行写操作时，数据线的保持时间大于1ns即可满足要求。因此，ADS5422与IDT72V2113之间的时序配合可以采用以下简单的实现方法：ADS5422的采样时钟和IDT72V2113的写时钟采用同一个时钟源，这样，每一个时钟的上跳沿，ADS5422进行模数转换，同时将上个时钟周期内输出的采样数据存储到DT72V2113内部。
2．3 C6203B与IDT72V2113的连接
C6203B与IDT72V2113的连接是通过C6203B外部扩展总线（XB）。C6203B的外部扩展总线（XB）宽度为32位，可以实现与同步FIFO无缝连接，可以同时无缝实现四个FIFO写接口或者实现3个FIFO写接口及1个FIFO读接口。通过无缝连接实现FIFO读接口，FIFO必须连接到XCE3上，数据通过DMA方式从IDT72V2113传送到C6203B的片内RAM中，具体连接如图4所示。图4中，4片IDT72V2113经过字长和字深扩展形成2MB的数据输入缓冲，输入数据总线（D0～D15）、输出数据总线（Q0～Q15）、读使能（REN）、读时钟（RCLK）、写使能（WEN）、写时钟（WCLK）和将空标志信号（PAE）是由4片IDT72V2113的相应信号组合形成的；XCE3为外部扩展总线（XB）的空间选择信号，XFCLK为外部扩展总线（XB）的输出时钟，EXT_INT4是C6203B的外部中断信号4，DX0用作通用输出口，控制IDT72V2113的写使能信号。
2.4 CY7C68013与C6203B的连接
CY7C68013是一个非常方便的USB2.0实现方案，它提供与DSP或者MCU连接的接口，连接方法有两种：Slave FIFOs和Master可编程接口GPIF。在本方案中，选用了Slave FIFOs方式，异步读写。Slave FIFOs方式是从机方式，DSP可以像读写普通FIFO一样对CY7C68013内部的多层缓冲FIFO进行读写。具体的电路连接如图5所示。FLAGA、FLAGB和FLAGC是CY7C68013内部FIFO的状态标志，C6203B通过通用I/O口来获得FIFO的空、半满（由用户设定半满的阈值）和满等状态信息。C6203B对CY7C68013内部FIFO的选择，以及数据包的提交也是通过通用I/O口来实现。C6203B通过EMIF接口的CE2空间对CY7C68013进行读写操作。工作过程为：DSP通过USB向PC发送数据时，首先查看空、半满和满这三个状态信号，然后向USB写入适当大小的数据，以保证数据不会溢出；PC机通过USB向DSP发送命令字时，USB通过中断方式通知DSP读取命令字。
3 USB软件设计
USB接口开发中有相当大的工作量是关于USB软件的开发，USB软件包括三方面的工作：固件（firmware）设计，驱动程序设计和主机端应用程序的设计。
3．1 固件设计
固件是运行在CY7C68013上的程序，可采用汇编语言或C语言设计，其主要功能是控制CY7C68013接收并处理USB驱动程序的请求（如请求设备描述符、请求或设置设备状态，请求或设置设备接口等USB2.0标准请求）、控制CY7C68013接收应用程序的控制指令、通过CY7C68013存放数据并实时上传至PC等。
本方案中的固件设计思路如下：
①使CY7C68013工作于异步从FIFO（Asynchronous Slave FIFO）模式。相应的寄存器操作为：IFCONFIG=0xCB。
CY7C68013具有多种工作方式，除了可以作为能够产生任意控制波形的主控芯片外，即使作为从设备，也可选择异步还是同步方式。由于DSP的关系，本方案选择异步从方式。
②将4KB的FIFO对应两个端点（EndPoint），即EndPoint2和EndPoint6。相应的寄存器操作为：EP2CFG=0xA0,EP6CFG=0xF2。
EndPoint2与EndPoint6分别对应2KB的内装中FIFO（下文分别称为FIFO2、FIFO6），存放USB需要上传与接收的数据。其中EndPoint2为OUT型，负责从主机接收数据；EndPoint6为IN型，负责向主机发送数据。另外，EndPoint2与EndPoint6均采用批量（BULK）传输方式，这种方式相对于其它USB2.0定义的传输方式具有数据可靠、传输速率高等特点，是最常用的传输方式。
③对FIFO进行配置。相应的寄存器操作为：EP2FIFOCFG=0x11，EP6FIFOCFG=0x0D。
本方案将FIFO2、FIFO6设置成自动方式。这里所谓“自动”，是指在数据的传输过程中，不需要CY7C68013的8051内核参与。如有特殊需要可以设成手动方式，这样8051就可以对数据进行修改，如图6所示。另外还将FIFO配置成16位接口。
④其它操作。为了完善整个USB传输功能，提高固件的健壮性，还必须配以其它设计，这包括FIFO的自动清空复位，个性化命令等功能，在此就不进行详细讨论了。
3．2 驱动程序设计
USB系统驱动程序采用分层结构模型，分别为较高级的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：较高级的通用串行总线驱动程序模块（USBD）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（USBD及HCD）由Windows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（EndPoint）建立通信并执行设备配置、数据与USB协议框架和打包格式的双向转换任务。目前Windows提供有多种USB设备驱动程序，但并不针对实时数据采集设备，因此USB设备驱动程序需由开发者自己编写。
开发USB设备驱动程序，可采用Numega公司的开发包Driver Works和Microsoft公司的2000DDK，并以VC++6.0作为辅助开发环境。Driver Works提供的驱动向导，可根据用户的需要，自动生成代码框架，减少了开发的难度，缩短了开发的周期。但是，Cypress公司为了方便用户开发USB接口，在CY7C68013的开发包中提供了一个通用驱动程序，该程序可不加修改，经DDK编译后直接使用。在本设计方案中，采用的就是这个通用驱动程序。
3．3 应用程序设计
主机应用程序是主要实现从高速数据采集处理板该取处理后的数据、存储、显示处理结构以及向数据采集处理板发送控制命令。在Windows 2000下，我们使用的应用程序开发工具是VC++6.0。
4 系统工作原理
上电后，ADS5422一直工作，采样产生的数据是否存储到IDT72V2113中，由C6203B的DX0引脚状态来决定。C6203B进行初始化，外部扩展总线的XCE3设置为同步FIFO读操作模式。DMA通道0配置为每次传输1帧，每帧 1024个半字，同步事件设置为外部中断4，触发极性为高电平，初始化定时器0，定时间隔为22ms。当外部同步信号到来时，启动定时器0，手动启动DMA通道0，同时设置DX0为低电平。ADS5422采样产生的数据开始写入IDT72V2113，当定时器0中断到来时，设置DX0为高电平，关闭IDT72V2113的写使能，采样数据不再存储到IDT72V2113内。随着数据不断写入IDT72V2113，当其内部的数据量大于1023个半字时，IDT72V2113的将空标志信号（PAE）由低电平变为高电平，使得C6203B的外部中断信号有效，从而触发DMA传输，C6203B的DMA通道0通过外部扩展总线（XB）读取1024个半字的数据，存储于内部RAM中，传输结束后向C6203B发送中断，通知C6203B处理数据。C6203B处理完数据后，通过USB2.0接口发送处理结果，然后重新启动DMA通道0，进行下一次DMA传输。如此循环，直到处理完所有数据。当下一个外部同步信号到来时，进行下一轮数据采集处理过程。
5 总结
本文详细介绍了基于USB2.0接口和DSP的高速数据采集处理系统的系统构成、硬件连接以及USB2.0驱动程序和固件程序的开发。经实际验证，系统运行可靠，是一种比较好的高速数据采集与处理的解决方案。
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