基于USB的數字掃頻儀測控接口設計

在電子測量中，經(jīng)常需要對網(wǎng)絡(luò )的傳輸特性和阻抗特性進(jìn)行測量，用于測量傳輸特性的儀器被稱(chēng)為頻率特性測試儀，簡(jiǎn)稱(chēng)掃頻儀。過(guò)去，數字掃頻儀的主要接口總線(xiàn)是PCI、RS232和并行總線(xiàn)等。這些接口總線(xiàn)均只支持一種模式，而發(fā)展趨勢是支持主從兩種模式。且其還存在不支持熱插拔、難以擴展的缺點(diǎn)，給掃頻儀的使用帶來(lái)不便。USB接口總線(xiàn)的出現解決了這些問(wèn)題。

1 掃頻儀測控接口設計基礎

1.1 數字掃頻儀的測控原理

測控系統的組成如圖1示。測量設備的主要作用是向主控制器輸入數據。執行單元是接收主控器的控制信號、輸出動(dòng)作以及完成控制目的。接口是主控器和測量設備及執行單元的通道，人機界面是系統和用戶(hù)進(jìn)行信息交換的媒介。

1.2 USB2.0接口技術(shù)

一個(gè)USB2.0系統主要由3部分構成：USB主機、USB連接和USB設備。對于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)這種USB系統被分為3個(gè)邏輯層，即功能層、USB設備層和USB總線(xiàn)接口層。每層均由主機和USB設備的不同功能模塊組成。

1.3 掃頻儀與計算機的連接

為實(shí)現數字掃頻儀的智能化和網(wǎng)絡(luò )化，在數字掃頻儀的基礎上進(jìn)行了USB測控接口的設計。該設計主要增添了兩個(gè)功能：一個(gè)是計算機控制掃頻儀，實(shí)現掃頻儀測量結果的在線(xiàn)分析、顯示和存儲;另一個(gè)是掃頻儀讀寫(xiě)U盤(pán)，將測量數據以及測量的頻率信息以文件的形式存儲到U盤(pán)中并可以調用U盤(pán)中的數據。USB系統包含USB主機，USB設備和USB連接3部分。當計算機控制數字掃頻儀時(shí)，由掃頻儀、USB主控芯片CH376及計算機組成一個(gè)USB系統，此時(shí)計算機為USB主機，掃頻儀為USB設備。當掃頻儀讀寫(xiě)U盤(pán)時(shí)，由掃頻儀、USB主控芯片CH376以及U盤(pán)組成一個(gè)USB系統，此時(shí)掃頻儀為主機，U盤(pán)為USB設備。

2 硬件電路設計

2.1 掃頻儀測控接口設計

設計是在原有數字掃頻儀的基礎上，通過(guò)掃頻儀的微處理器ADSP-BF532內置的SPORT1口與USB控制芯片進(jìn)行通信。通過(guò)USB控制芯片將掃頻儀設置成主機模式時(shí)，將U盤(pán)作為設備，可實(shí)現掃頻儀主控U盤(pán);USB控制芯片將掃頻儀設置成從模式時(shí)，則計算機作為主控設備，可實(shí)現計算機控制掃頻儀，整體電路設計如圖2所示。

2.2 處理器模塊設計

Blackfin532有兩個(gè)相同的高速串口SPORT0和SPORT1，這兩個(gè)串口支持各種串行數據通信協(xié)議。SPORT口包含接收和發(fā)送寄存器。發(fā)送數據時(shí)，從內部寄存器寫(xiě)到SPORT口的存儲器映射寄存器SPORTx_TX中。根據選擇，此數據可由硬件進(jìn)行壓擴后自動(dòng)傳送到移位寄存器，移位寄存器的位從SPORT口的DT引腳移出，最高位在前或最低位在前均可。接收數據時(shí)，SPORT的接收部分從DR接收數據，接收一個(gè)完整的字后，數據展開(kāi)并自動(dòng)傳送到SPORT的存儲器映射寄存器SPORTx_TX中。該寄存器可被處理器訪(fǎng)問(wèn)，發(fā)送和接收時(shí)都要有同步時(shí)鐘。

BF532的時(shí)鐘可分為兩種：一個(gè)是系統時(shí)鐘;另一個(gè)是實(shí)時(shí)時(shí)鐘。系統時(shí)鐘經(jīng)內部PLL倍頻后為DSP提供核時(shí)鐘和片上外設時(shí)鐘。BF532和CH376的傳輸過(guò)程中需要的時(shí)鐘信號就是由DSP的系統時(shí)鐘進(jìn)行分頻得到的，最大能達到系統時(shí)鐘的1/2。該時(shí)鐘電路內部集成高增益反相，所以只要外接一個(gè)無(wú)源晶振，系統時(shí)鐘選用27 MHz無(wú)源晶振，并聯(lián)諧振電容到地即可。實(shí)時(shí)時(shí)鐘通過(guò)外接一個(gè)32.768 kHz的時(shí)鐘源，經(jīng)過(guò)內部分頻后，可產(chǎn)生秒信號時(shí)鐘。

ADSP—BF532需外接一片Flash作為它的程序存儲器。ADSP—BF532的異步程序存儲控制器可達4MB尋址空間?？梢酝ㄟ^(guò)使用AMS信號進(jìn)行分頁(yè)操作，一共可分為4頁(yè)，每頁(yè)1MB。根據DSP手冊給出的程序存儲器時(shí)序以及Flash手冊提供的讀寫(xiě)時(shí)序，將DSP的AMSO、AWE、AOE信號以及數據和地址總線(xiàn)分別連接到Flash的WE#、CE#、OE#以及數據和地址總線(xiàn)，即可滿(mǎn)足Flash的讀寫(xiě)。

2.3 USB主控模塊設計

CH376是文件系統管理芯片，其支持USB主機模式和USB設備模式，即可配置成主模式和從模式。主模式時(shí)，數字合成掃頻儀成為主機，U盤(pán)為USB設備，可實(shí)現掃頻儀讀寫(xiě)U盤(pán)的功能。從模式的時(shí)候計算機為主機，數字掃頻儀為USB設備，可以實(shí)現計算機主控掃頻儀的功能。

設計CH376的外圍電路，首先需將CH376配置成SPI串行通行方式，必須將RD#和WR#接GND，并將其余不用的引腳懸空。電容C4用于內部電源節點(diǎn)退耦，從而降低USB傳輸過(guò)程中的EMI;晶體X1是振蕩電路，用于向CH376提供系統時(shí)鐘信號，該晶振要求是12 MHz;P50A是USB端口;電阻R20用于限制輸出給外部USB設備的電流;C50主要用于減少在USB設備剛插入時(shí)的電源電壓紋波;ACT#連接的LED燈可起到指示作用。

圖4給出了CH376和BF532的具體連接電路。CH376在SPI模式下有6根信號線(xiàn)需要進(jìn)行連接，分別是SDO、SDI、SCK、SCS、中斷ACT#和復位RST1。

3 測控分析軟件設計

軟件設計主要包含掃頻儀讀寫(xiě)U盤(pán)軟件設計和計算機主控掃頻儀軟件設計兩部分。通常，微處理器主控U盤(pán)的軟件模型如圖5所示。設計應包括圖5中左半部分的4個(gè)層次結構和測控軟件設計，由于USB芯片CH376設計完善，功能強大，其不僅有一個(gè)通用USB—HOST接口芯片，且內置了相關(guān)的底層傳輸、FAT文件系統管理等固件，所以只需編寫(xiě)應用層的APT函數和測控軟件。API函數的設計主要編寫(xiě)的是讀寫(xiě)U盤(pán)的基本函數，實(shí)現掃頻儀和U盤(pán)的通信;測控軟件設計主要編寫(xiě)掃頻儀對U盤(pán)的具體控制函數，實(shí)現掃頻儀對U盤(pán)的控制。

計算機主控掃頻儀的軟件設計分為4部分：ADSP—BF532的本地程序;設備驅動(dòng)程序，設備驅動(dòng)程序是提供硬件連接到計算機上的軟件接口，CH376的廠(chǎng)商提供了驅動(dòng)程序;計算機上運行的數字掃頻儀的測控軟件程序;驅動(dòng)程序和測控程序之間通訊必須使用的動(dòng)態(tài)連接庫，即DLL。軟件開(kāi)發(fā)模型如圖6所示。

BF532的本地程序設計、驅動(dòng)程序設計、API和DLL的設計是掃頻儀的通道設計，可實(shí)現計算機和掃頻儀數據交換;BF532的本地程序設計和測控程序設計是測控分析設計，實(shí)現計算機和掃頻儀之間的控制、解析和處理功能。數字掃頻儀測控接口軟件設計流程如圖7所示。

4 系統功能測試

本文基于USB的掃頻儀測控接口設計主要可實(shí)現兩個(gè)功能：一是掃頻儀讀寫(xiě)U盤(pán)，將掃頻儀測量的幅頻特性和相頻特性數據以文件的形式寫(xiě)入U盤(pán)，同時(shí)掃頻儀也可以將U盤(pán)中文件數據讀入到掃頻儀;二是計算機主控掃頻儀。

首先選擇被測網(wǎng)絡(luò )，該被測網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)帶通網(wǎng)絡(luò )。然后設置掃頻儀的頻率參數，中心頻率設置為10.7 MHz，帶寬設置為100 kHz。掃頻儀將測量到的該網(wǎng)絡(luò )的幅頻特性曲線(xiàn)和相頻特性曲線(xiàn)顯示在LCD屏上，如圖8所示。

4.1 U盤(pán)測試

按下掃頻儀的接口設置菜單中的U盤(pán)選項，如圖8所示。進(jìn)入讀寫(xiě)U盤(pán)的下級菜單，在下級菜單中按下寫(xiě)U盤(pán)的按鍵，便可將數據以文件的形式寫(xiě)入U盤(pán)。經(jīng)測試，成功創(chuàng )建swe ep.dat文件，并寫(xiě)入了包含幅頻信息和相頻信息的數據。由于dat文件可在上位機上調用，并繪制幅頻和相頻的曲線(xiàn)，其顯示出來(lái)的曲線(xiàn)如圖9所示，與掃頻儀LCD屏上顯示的曲線(xiàn)相同，實(shí)現了掃頻儀和U盤(pán)的通信。

4.2 上位機的測試

將掃頻儀通過(guò)USB線(xiàn)接到電腦上，然后按下掃頻儀接口菜單的USB按鍵，此時(shí)可以實(shí)現計算機主控掃頻儀。打開(kāi)上位機軟件，按下開(kāi)始連接按鈕，并通過(guò)上位機設置掃頻儀的中心頻率為10.7 MHz，帶寬為100 kHz。然后按下接收數據按鈕，接收數據，然后變換參數，設置中心頻率為10.75 MHz，帶寬為200 MHz，兩次接收數據結果如圖10所示。

由圖10可知，用戶(hù)通過(guò)上位機軟件設置不同的頻率參數后，接收到的曲線(xiàn)不同，將圖10和圖8進(jìn)行對比，表明兩次接收到的數據是正確的。說(shuō)明掃頻儀響應了計算機給其發(fā)出的命令，計算機也接收到了掃頻發(fā)來(lái)的數據，實(shí)現了計算機主控掃頻儀的功能。