ADSP-TS101的USB 2.0接口擴展

　　1 引 言

　　現代信號處理系統通常涉及到上位機與信號處理機之間的數據通訊，如何建立信號處理機與上位機的通訊接口成為系統設計中必須解決的一個(gè)問(wèn)題。通常情況下，對于數據傳輸速度要求不太高的應用，可以使用普通串行口作為通訊鏈路。在本系統中，由于采用多片高性能浮點(diǎn)數字信號處理器ADSP-TS101作為處理器，產(chǎn)生了大量的處理結果，并且要求實(shí)時(shí)傳輸處理結果，傳輸速度必須達到1 MB/s，因此普通的串行通訊口已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。若采用PCI接口，雖然在速度上可以滿(mǎn)足要求，但需要單獨在上位機占用一個(gè)PCI插槽，另外由于系統還有其他模塊需要與信號處理機進(jìn)行高速數據傳輸，因此在供電設計、系統中模塊間的連接布線(xiàn)、開(kāi)發(fā)調試中都存在一定的困難，在使用中也會(huì )因為其不具備熱插拔功能而相對繁瑣?？紤]到這些因素，選擇USB 2.0接口作為通訊鏈路，因為其具有傳輸速度高、使用簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

　　USB(Universal Serial Bus)是一種通用串行總線(xiàn)，由COMPAQ，InteI，Microsoft和NEC等公司共同開(kāi)發(fā)，并成為標準，現今已廣泛運用于各種數字系統中。USB總線(xiàn)具有用戶(hù)使用方便、成本低廉、易于與PC接口、支持熱插拔、傳輸速度高、易于升級等優(yōu)點(diǎn)。USB 2.0的最高傳輸速率可達480 Mb/s，比一般的串口快1 000倍以上。

　　USB總線(xiàn)主要包括主機和設備、物理構成、邏輯構成以及客戶(hù)軟件與設備功能接口的關(guān)系4個(gè)部分，圖1展示了USB總線(xiàn)組成關(guān)系。

　　2 系統設計

　　2.1 系統結構

　　圖2為本文所論及的信號處理系統的結構框圖。在本系統中，上位機將設置好的參數發(fā)送給信號處理機，由信號處理機將參數轉發(fā)給系統其他模塊，并根據此參數進(jìn)行相應的信號處理，最后再將處理結果傳回上位機。

　　2.2 ISP1581簡(jiǎn)介

　　ISP1581是Philips公司的一款高性?xún)r(jià)比的USB 2.0接口芯片。他完全遵循USB 2.0規范，支持7個(gè)IN端點(diǎn)，7個(gè)OUT端點(diǎn)和一個(gè)固定控制IN/OUT端點(diǎn)。ISP1581支持USB 2.0的自檢工作模式和USB 1.1的返回工作模式，可以在高速或全速條件下正常運行。內部集成有串行接口引擎(SIE)，PIE，8 kB的FIFO存儲器，數據收發(fā)器，PLL的12 MHz晶體振蕩器和3.3 V的電壓調整器。同時(shí)，可通過(guò)軟件控制與USB總線(xiàn)的連接。

　　2.3 硬件電路設計

　　由ADSP-TS101和ISP1581構成的USB 2.0接口電路如圖3所示。其中ADSP-TS101在系統中同時(shí)完成信號處理和充當微控制器完成對ISP1581的控制。ADSP-TS101和ISP1581以通用總線(xiàn)的方式連接，即數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)分離的方式。ISP1581的片選信號連接到ADSP-TS101的MS0，映射到ADSP-TS101的地址空間為0X8000000～0X80000FF，TS101通過(guò)對這些地址上的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)來(lái)控制ISP1581，完成與上位機的USB傳輸。ISP1581的中斷輸出引腳連接到ADSP-TS101的中斷請求輸入引腳IRQ2，通過(guò)中斷方式與DSP通訊。ISP1581的復位可通過(guò)硬件和軟件觸發(fā)，硬件復位引腳連接到系統復位信號，系統上電復位或熱復位時(shí)同時(shí)復位ISP1581。

　　3 固件程序設計

　　由于ISP158l本身沒(méi)有集成的微控器，固件程序將在TS101中運行。固件程序在結構上采用中斷驅動(dòng)方式，TS101通常情況下在自身的運算任務(wù)下運行，當上位機有通訊請求時(shí)，通過(guò)中斷方式通知TSl01。在TSl01的中斷服務(wù)程序中，通過(guò)讀ISPl581的內部寄存器判斷具體的請求類(lèi)型，然后設置相應的標志。從程序的實(shí)現方式來(lái)說(shuō)，固件程序主要就是一系列請求函數的集合，主要包括實(shí)現設備枚舉的標準請求和與具體應用相關(guān)的廠(chǎng)商請求，不同的請求根據建立包中的數據來(lái)區分，固件程序的主要流程圖如圖4所示。

　　3.1 ISPl581的初始化

　　為兼容USB 1.1接口，器件初始配置為全速模式，若上位機支持USB 2.0接口，可在設備枚舉的過(guò)程中更改為高速模式。器件支持7個(gè)IN和7個(gè)OUT端點(diǎn)，分別可以配置成為中斷方式、同步方式和批量方式，其中批量方式適合高速的數據傳輸要求，中斷方式可以用于命令數據的傳輸。在此雷達系統中，為滿(mǎn)足應用要求，共配置2個(gè)批量輸出端點(diǎn)用于處理結果傳輸、1個(gè)中斷輸出端點(diǎn)用于命令響應和1個(gè)中斷輸入端點(diǎn)用于接收命令，其他的端點(diǎn)保留不用。

　　3.2 設備枚舉

　　USB設備的枚舉至關(guān)重要，直接影響到設計的成功與否，這需要嚴格依據USB 2.0協(xié)議規范來(lái)設計。這部分程序主要由一系列標準請求函數構成，在USB任務(wù)處理中被調用，主要包括獲取設備描述符、設置設備地址、配置設備、配置端點(diǎn)等。USB設備的枚舉一般按照如下步驟進(jìn)行：

　　(1)設備連接，總線(xiàn)復位，ISP1581將發(fā)送高速(HS)模式檢測信號，若接收到一個(gè)高速(HS)握手信號，則將轉換到高速(HS)狀態(tài)，否則仍工作在全速(FS)狀態(tài);

　　(2)通過(guò)默認地址0獲取設備描述符;

　　(3)給設備分配惟一的地址;

　　(4)通過(guò)分配的地址重新獲取設備描述符;

　　(5)獲取配置描述符;

　　(6)獲取設備描述符集合，包括配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符;

　　(7)若為第一次連接則提示找到新硬件，要求安裝驅動(dòng)程序，否則根據設備描述符加載設備驅動(dòng)程序;

　　(8)配置設備，至此設備枚舉完成。

　　3.3 廠(chǎng)商請求

　　本應用中的廠(chǎng)商請求主要包括發(fā)送控制命令和讀取處理結果。由于控制命令的數據量很小，故采用中斷方式進(jìn)行傳輸，而處理結果數據量較大，為提高傳輸速度，采用批量傳輸方式傳輸。為防止數據異常更新，數據緩沖區采用乒乓緩沖方式，USB發(fā)送完成某個(gè)緩沖區的數據前，信號處理的結果只能存放在另一緩沖區中。圖5為控制命令-設置模式字的廠(chǎng)商請求處理流程圖。

　　4 驅動(dòng)程序

　　驅動(dòng)程序用于處理底層通信細節，實(shí)現具體的通信協(xié)議，為應用程序提供透明的傳輸接口。USB設備驅動(dòng)程序的設計是基于WDM(Windows Driver Model，Windows驅動(dòng)模型)的。WDM采用分層驅動(dòng)程序模型，對于USB設備來(lái)說(shuō)，可以分為USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序和USB功能驅動(dòng)程序。USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序是由操作系統提供，USB功能驅動(dòng)程序是由設備開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)的，他位于USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序的上面，通過(guò)向USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序發(fā)送IRP(I/O Re-quest Packet，I/O請求包)，來(lái)實(shí)現對USB設備信息的發(fā)送與接收。

　　USB設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)工具有Windows DDK，KRFTech公司的WinDriver，Compuware公司的DriverWorks等。其中WinDriver使用簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)者幾乎不需要編寫(xiě)任何代碼即可為開(kāi)發(fā)的設備生成可用的驅動(dòng)程序。為縮短開(kāi)發(fā)周期，設備驅動(dòng)程序用WinDriver開(kāi)發(fā)，并用InstallShield為驅動(dòng)程序制作了單一的安裝包，以方便用戶(hù)安裝使用。

　　5 設備調試中遇到的問(wèn)題及解決辦法

　　在USB設備的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設備的調試工作一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，下面針對ISP1581，對在調試過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題做出簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

　　(1)處理器不能正常讀寫(xiě)ISP1581內部的寄存器。

　　出現此問(wèn)題的可能原因主要有兩個(gè)：第一，ISP1581的時(shí)鐘信號不穩定，ISP1581需要穩定的12 MHz時(shí)鐘頻率;第二，ISPl581上電復位不正常，可以在程序起始位置，重新復位ISPl581，延時(shí)20 ms后再對ISP1581進(jìn)行操作。

　　(2)連接設備后，上位機提示“不可識別的USB設備”。

　　出現此提示，說(shuō)明ISP1581已經(jīng)設置好軟連接，真正與上位機連接，但是由于沒(méi)有正確響應上位機的請求，導致枚舉失敗，上位機不能正確識別USB設備。要解決此問(wèn)題，最好使用調試工具來(lái)輔助，例如bushound等。運行該軟件，分析USB總線(xiàn)上傳輸的數據流，觀(guān)察USB設備與上位機的請求與響應狀態(tài)以及響應的具體內容，與標準的USB枚舉過(guò)程進(jìn)行比對，從而查出問(wèn)題所在。

　　(3)設備枚舉成功，且正常加載驅動(dòng)，但是無(wú)法對USB設備進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　導致此問(wèn)題可能是固件程序、驅動(dòng)程序以及應用程序的問(wèn)題。應先排除應用程序和驅動(dòng)程序的問(wèn)題，使用WinDriver重新生成設備的驅動(dòng)程序，并根據WinDriver提供的例程和API函數手冊，仔細檢查應用程序。固件程序故障的排除相對復雜，可利用WinDriver提供的端點(diǎn)測試工具，結合合理的固件程序斷點(diǎn)設置，按照USB數據傳輸的流程，逐級檢查。

　　USB設備的調試是一個(gè)復雜的過(guò)程，需要清楚地了解USB設備的枚舉過(guò)程和USB數據傳輸過(guò)程，通過(guò)細心的檢查找出問(wèn)題所在，才能將問(wèn)題根本解決。

　　6 結 語(yǔ)

　　本設計通過(guò)為ADSP-TSl01擴展USB接口，實(shí)現了信號處理機與上位機的USB 2.0接口，并在實(shí)際使用中取得了良好的效果，實(shí)際傳輸速度大于1.2 MB/s。設計中，ISP1581通過(guò)通用總線(xiàn)方式與TS101連接，如果希望取得更高的傳輸速度，可以考慮采用ISP1581的DMA模式。USB 2.0接口性能優(yōu)越，使用簡(jiǎn)單，成本低廉，在計算機與外設的互聯(lián)中得到了廣泛的應用，并逐漸成為計算機與外設的標準結構，因此USB接口的設計在實(shí)際應用中具有重要的地位和意義。