基于DSP的USB口數據采集分析系統設計

隨著(zhù)DSP芯片功能越來(lái)越強,速度越來(lái)越快,性?xún)r(jià)比的不斷提高以及開(kāi)發(fā)工具的日趨完善,廣泛用于通信、雷達、聲納、遙感、生物醫學(xué)、機器人、控制、精密機械、語(yǔ)音和圖像處理等領(lǐng)域。作為計算機接口之一的USB（Universal Serial Bus）口具有勢插拔、速度快（包括低、中、高模式）和外設容量大（理論上可掛接127個(gè)設備）的特性,使其成為PC機的外圍設備擴展中應用日益廣泛的接口標準。本文設計并實(shí)現了基于DSP的USB口數據采集分析系統,該系統的DSP負責數據的采集和運算處理,處理結果通過(guò)USB口送計算機顯示分析,其結構如圖1所示。

該結構圖中,CPLD和FPGA實(shí)現模塊接口,包括串并轉換、8位和32位數據總線(xiàn)間的轉換、SRAM等功能。采樣結果經(jīng)過(guò)CPLD送至DSP運算處理（FFT變換、相關(guān)分析、功率譜分析等）后,由FPGA和USB接口送至主控計算機存儲和顯示。計算機應用程序易于實(shí)現豐富的圖形界面,具有良好的人機接口。

　　1 模數模塊

　　本系統主要用于振動(dòng)信號和噪聲分析,要求采樣精度高,采樣頻率不超過(guò)100kHz。根據要求選用CRYSTAL公司的CS5396。該芯片原本用于立體聲采樣,基于∑-Δ結構,采樣精度高,24位分辨率,120dB的動(dòng)態(tài)范圍;采樣頻率32kHz、44.1kHz、48kHz、96kHz可選;內部集成采樣保持器、模擬低通濾波器、數字濾波器,同時(shí)還具有時(shí)采樣功能;兩路同時(shí)采樣,串行輸出,串行數據由CPLD轉換成24位并行數據;由于該芯片量程是4V,差分輸入,所以模擬部分只需再加上簡(jiǎn)單量程放大電路即可。這樣模擬電路十分簡(jiǎn)單,抗干擾能力強、精度高。

　　2 DSP處理器

　　選擇DSP處理器時(shí)主要考慮其運算速度、總線(xiàn)寬度和性?xún)r(jià)比。本系統采樣結構24位,最好選用32位DSP;系統要進(jìn)行實(shí)時(shí)信號分析、模態(tài)分析等,要求有較高運算速度,所以選用TI公司的32位浮點(diǎn)DSP――TMS320VC33。該芯片采用哈佛結構,6級流水線(xiàn)操作,指令執行周期7ns,外設包括一個(gè)DMA控制器和一個(gè)緩沖串口。

　　N點(diǎn)復數FFT變換約做2N×Log2N次實(shí)數乘法運算和3N×Log2N實(shí)時(shí)加法運算。TMS320VC33的乘法、加法都是單周期指令,取N=1024,不計內存訪(fǎng)問(wèn)和其它時(shí)間,則一次FFT所需時(shí)間為：10×5120×17ns約0.9ms。而按96KSPS的采樣頻率計算,1024點(diǎn)的采樣時(shí)間約10ms,可見(jiàn)該DSP速度足以滿(mǎn)足要求。

　　該DSP啟動(dòng)模式可選,上電后執行駐留在低地址空間的BOOTLOADER;然后根據4個(gè)中斷輸入信號的狀態(tài)判斷啟動(dòng)模式,可以從RAM、ROM或串行口啟動(dòng)。本系統選擇串行口方式。這樣,DSP程序可以直接從PC下載送至DSP接口,做到在系統調試,具有極大的靈活性。

　　3 USB接口

　　USB協(xié)議的實(shí)現基于網(wǎng)絡(luò )的思想,是一種共享式的總線(xiàn),在總線(xiàn)上數據以包（Packet）的形式發(fā)送。USB的數據傳送有4種模式：塊傳輸（Bulk Transfers）、中斷傳輸（Interrupt Transfers）、同步傳輸（Isochronous Transfers）、控制傳輸（Control Transfers）。當需要快速傳輸大批量的準確數據時(shí),一般采用塊傳輸模式;當傳輸實(shí)時(shí)性較強的數據時(shí),采用中斷傳輸模式。

　　當USB設備插入計算機時(shí),計算機和USB設備之間產(chǎn)生一個(gè)枚舉過(guò)程。計算機檢測到有設備插入,自動(dòng)發(fā)出查詢(xún)請求;USB設備回應這個(gè)請求,送出設備的Verdor ID和Product ID;計算機根據這兩個(gè)ID裝載相應的設備驅動(dòng)程序,完成枚舉過(guò)程。

　　由于USB協(xié)議非常復雜,開(kāi)發(fā)者不可能在底層基礎上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。目前,市場(chǎng)上對USB協(xié)議進(jìn)行封裝的接口芯片,如：National Semiconductor公司的USBN9602、Plilips公司的PDIUSBD12等。本系統選用CYPRESS公司的帶單片機內核的EZ-USB系列的AN2131QC.該芯片遵從USB1.0規范（12Mbps）,將8051單片機內核、智能USB接口引擎、USB收發(fā)模塊、存儲器、串行口等集成一起,從而減少芯片接口時(shí)序。其內部結構如圖2（虛線(xiàn)內是芯片部分）。

　　EZ-USB的8051代碼（Firmware）可以固化在ROM內;更好的方案是通過(guò)USB口從主機下載到內部RAM,這樣,易于修改、調試和更新。之所以能下載代碼是因為芯片一上電完全在硬件上自動(dòng)完成枚舉過(guò)程,不需要Firmware。完成枚舉后便可作為一個(gè)USB設備（叫做缺省USB設備）與計算機通訊,此時(shí)即可進(jìn)行Firmware下載。下載完后,8051內核脫離RESET狀態(tài)開(kāi)始執行代碼?？梢酝ㄟ^(guò)Firmware對USB設備重新配置,這個(gè)重新配置過(guò)程叫做再枚舉。

　　在EZ-USB中,缺省USB設備的接口中包括14個(gè)Endpoints,如表1所示。

　　表1 缺省USB端點(diǎn)（Endpoint）

　計算機與USB設備的數據通信主要包括兩個(gè)方面：一是讀取采樣數據;二是給USB設備發(fā)送控制命令。發(fā)送控制命令先發(fā)送一個(gè)命令包（消息）,然后根據情況發(fā)送后續數據或從設備讀取響應數據。因此,根據EZ-USB芯片的功能,直接使用缺省配置中的6個(gè)Endpoint。

Endpoit OUT2 BULK：用來(lái)發(fā)送控制命令包。

Endpoint IN2 BULK：接收從USB設備發(fā)來(lái)的DSP消息。

Endpoint IN4 BULK：用來(lái)從USB設備讀取數據,如讀取采樣數據、配置參數等。

Endpoint OUT4 BULK：用來(lái)向USB設備發(fā)送數據,如下載8051程序、下載FPGA程序等。

Endpoint OUT6 BULK：作輔助判斷用,當PC傳送完大量數據至USB設備時(shí),向該端口寫(xiě)任意數據以起到通知USB設備的作用。

Endpoint IN1 INT：用來(lái)從USB設備讀取響應信號,如下載FPGA程序是否成功的標志等。

　　在缺省配置基礎上可以編寫(xiě)適合需要的代碼,如果對8051編程經(jīng)驗豐的話(huà),完全可以在不需要調試工具的情況下編寫(xiě)Firmware。