基于USB和DSP的数据采集系统的设计
2007-11-07
作者：戴小俊1,2， 丁铁夫1， 郑喜
摘 要：介绍了一种利用USB2.0的高速传输特性，基于USB和DSP的数据采集" title="数据采集">数据采集系统。详细论述了系统的总体结构、部分硬件设计，并简要叙述了相应固件程序的实现。
关键词：USB DSP FPGA 高速传输
测量仪器一般由数据采集、数据分析和显示三部分组成，而数据分析和显示可以由PC机的软件来完成，因此只要额外提供一定的数据采集硬件就可以和PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器被称为虚拟仪器[1]。而在一些数据量比较大、采集时间比较长的场合，就需要采用高速的数据传输通道。基于虚拟仪器的思想和高速传输通道的要求，设计了一种基于DSP和USB2.0的高速数据传输接口。
1 数据采集系统" title="数据采集系统">数据采集系统硬件
数据采集系统由A/D数据采集单元、USB从接口单元、U盘读写单元组成。硬件原理图如图1所示。被测信号经A/D转换后写入FIFO中；当FIFO数据半满后，产生中断，通知DSP进行数据压缩处理；DSP把压缩好的数据依次写入USB接口芯片" title="接口芯片">接口芯片的4个从FIFO中，4个从FIFO对应USB的4个端点，DSP一边写入数据，已写满的从FIFO就一边通过相应端点由SIE把数据发送到上位机，上位机一边把收到的数据通过多线程存储到硬盘中，一边把数据解压并把波形实时显示出来。对于少量的数据，可以存储到U盘，送回PC机进行分析显示。
1.1 A/D采集模块
作为单通道输入的MAX1189，主要控制信号有CS、R/C(Read/Conversion)、EOC(End of Conversion)。图2为MAX1189的时序图[2]。如图2所示，每个采样周期长达CS信号的三个周期。在第一个CS信号的下降沿，如果R/C为低电平，也就进入了应答模式，这是开始采样前必须的准备工作。为了适应不同的输入极性要求，MAX1189的内部参考电压可以在每次转换结束后进行设置，这是通过在第二个CS下降沿时，R/C的高低电平变化来控制的，非常简便。低电平时，ADC内部参考电压无需进行转换，这样在开始下一个周期的转换时无需等待电压的变化。高电平" title="高电平">高电平时，内部参考电压会进行调变，这样在开始下一周期的转换时需要等待大约12?滋s的时间。在CS信号的第三个下降沿，EOC信号变为低电平，表示采样结束，此时R/C信号为高电平，会把采样数据放到总线上，这样就完成了一个周期的采样。采样模块的控制信号是由FPGA控制的。
1.2 DSP与FIFO的连接
主处理器DSP既要控制采集，又要完成数据的处理和传输，因此数据采集模块采集来的数据不能直接传送给DSP,这会极大影响DSP的处理效率。解决办法是利用数据缓冲器如双口RAM、FIFO等，对数据进行适度缓存，当缓存的数据量达到一个设定值时，可以通知CPU进行一次高速数据传输，将缓存的数据一次性地读入。在设计中采用了缓冲，较好地解决了采集端与处理端的速度匹配问题。
FIFO的读写由各自的控制时钟FIFOR和FIFOW控制，写时钟与采样时钟同步，读时钟与DSP处理数据的时序有关。当FIFO半满后，FPGA会根据FIFOHF、FIFOE/F、FIFOPAFE的相应位判断FIFO是否半满，FPGA便向DSP发出中断请求。本设计中采用外部中断的EXTINT3来作为FIFO缓冲数据的DMA传输触发事件。DSP响应FPGA中断请求，读取数据进行数据压缩。当DSP数据处理速度跟不上采集数据速度时，FIFO就会全满，FPGA根据FIFOHF、FIFOE/F、FIFOPAFE相应位状态判断到FIFO已全满，于是向USB接口芯片单片机发出最高级中断请求，通知系统数据己溢出，采集发生严重错误。
1.3 USB从接口电路
USB从接口单元采用CYPRESS的CY7C68013芯片。如图3所示，USB接口芯片CY7C68013由3.3V电源供电。PAO/INTO#选择INTO工作方式，其中断级别最高，当FIFO全满造成数据溢出导致数据采集发生严重错误时，该中断请求发生，系统通知数据溢出错误，并停止数据采集。RESET#为USB接口芯片复位输入。
USB的FDO～FDl5与DSP的I/O数据线相连，用于DSP与USB从FIFO通信，SLWR为写控制时钟。FLAGB、FLAGC用于输出2,4,6,8相应端点从FIFO的空满状态，以便DSP写USB从FIFO时获取空满状态。
FIFOADRO、FIFOADR1用于DSP寻址2,4,6,8相应端点USB从FIFO，FIFOADRO及FIFOADR1功能真值表如表1所示。FIFOADRO、FIFOADR1的初值为00，对应DSP写端点2的从FIFO, FPGA对写USB从FIFO的控制时钟SLWR计数，当达到512次时，表示端点2己写满，计数器清零，FIFOADRO和FIFOADR1的值自加一次变为01，对应DSP写端点4的从FIFO。以此类推，DSP依次写2,4,6,8端点数据，当FIFOADRO和FIFOADR1的值为11时，再自加一次，FIFOADRO和FIFOADR1的值又变为00,因此，DSP可循环写2,4,6,8端点。需要说明的是，当DSP开始写一新端点的从FIFO之前，DSP要读一次FLAGB、FLAGC标志位，若该端点不空，则等待；若空，则进行写数据操作[3]。
1.4 U盘读写单元
此电路单元采用USB主控芯片CH375。CH375 是一USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式。此系统中只采用USB的主功能，用来读写U盘[4]。
CH375 芯片的RD#和WR#引脚分别连接DSP的读选通输出引脚和写选通输出引脚。CS#由地址译码电路驱动。INT#输出的中断请求是低电平有效，可以连接到DSP的中断输入引脚。当WR#为高电平并且CS#和RD#及A0都为低电平时，CH375中的数据通过D7～D0 输出；当RD#为高电平并且CS#和WR#及A0都为低电平时，D7～D0上的数据被写入CH375芯片中；当RD#为高电平并且CS#和WR#都为低电平而A0 为高电平时，D7～D0上的数据被作为命令码写入CH375芯片中。CH375内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，DSP可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB 存储设备（包括USB硬盘/USB闪存盘/U 盘）。
2 软件设计
本设计的软件主要由两大部分组成：USB芯片软件及DSP通信软件。其中，USB芯片软件的设计是关键，它又包括固化程序、驱动程序、PC机端应用程序" title="应用程序">应用程序[5]以及DSP端通信接口程序。
2.1 固化程序
USB芯片的固化程序主要负责：
(1) 寄存器初始化工作，设置一些特殊功能寄存器的初值以实现所需的属性或者功能；
(2) 辅助硬件完成设备的枚举过程，对主机的设备请求作出适当的响应；
(3) 完成中断处理、数据接收及发送以及对外围电路的控制。
2.2 驱动程序
开发USB设备驱动程序可采用Jungo公司的WinDriverv6．03，并以VC++6.0作为辅助开发环境。利用WinDriver提供的开发平台，用户即可完成驱动程序的设计工作，剩下的底层细节由WinDriver内核统一处理，从而降低了对开发者编程能力的要求，同时也大大缩短了开发周期。下面对使用WinDriver开发驱动程序的步骤作一个简要说明：
(1) 启动WinDriver的DriverWizard工具；
(2) 利用DriverWizard检测硬件是否正常；
(3) 在DriverWizard中选择所使用的开发环境，这里使用VC6．0开发环境，并生成驱动程序代码；
(4) 对生成的代码进行修改，使其符合系统的需要；
(5) 在WinDriver环境的用户模式下调试驱动程序。
2.3 PC端应用程序
USB主机应用程序是计算机中完成特定功能的程序，其关键是实现从USB 外设读取或发送特定数量的数据、USB标准设备请求和特定的命令等。另外，可以对数据做进一步的处理，如：存储、显示、快速傅立叶变换等。
主机应用程序的编写使用ＶＣ编译环境中的ＡＰＩ函数实现。应用程序的编程方法与串口编程类似。首先必须查找设备，调用WIN32函数CreateFilea( )打开设备的句柄；然后调用WIN32函数DeviceIoControl( )就可以进行数据读写和控制操作；最后关闭设备句柄。
2.4 DSP端通信接口程序
在本设计中，DSP处于主控地位，通过INT中断决定什么时候接收USB送来的数据，并把接收来的数据做简单的压缩运算，决定何时往USB发送这些数据。在读数据时，应首先判断FX2的FIFO2是否为空，如果不为空则将数据读进来，一次读进一个16位数。在写数据时，首先判断要写的数据个数是否为512字节的整倍数。
由于开发此系统涉及到USB驱动开发以及应用程序的设计，比较繁琐，尝试利用Mass Storage协议开发虚拟设备，把数据采集卡当作一个Windows的外围设备，采用文件系统格式直接以文件形式存储数据。这部分主要是修改CY7C68013的固件程序，如设备描述符、端点描述符，主机会把采集卡认为是一Mass Storage设备，然后利用SCSI协议以及文件系统就可以直接存储由DSP传过来的数据，这样就省去了复杂的驱动和应用程序设计。
本文介绍了基于USB2.0的16bit数据采集系统，采用数据压缩算法完成了数据量的压缩以及高速数据传输[6]。由于USB的即插即用特性，弥补了传统数据采集卡插拔困难的缺点，相信随着技术的进步，USB技术必将得到更广泛的应用。
参考文献
[1] 覃章健，黄洪全，葛良全.基于USB2.0的实时数据采集系统研究.中国测试技术，2005，31（5）.
[2] 美国美信公司. MAX-1189 DataSheet.pdf. 2004.1.
[3] EZ-USB FX2 Manual technical reference. Cypress Semiconductor, 2002.1.
[4] 南京沁恒电子有限公司.USB总线接口芯片CH375[DB/OL].http://www.winchiphead.com/product/ch375detail.htm,
2005-05-10.
[5] 邓鹏飞，李小波,张剑云.USB2.0在DSP与计算机通信中的应用[J].计算机数字与工程[J],2005,(6):99-103.
[6] 曹军军，陈小勤.基于USB2.0的数据采集卡的设计与实现[J],仪器与仪表，2006,（1）：37-38.
[7] 陶峻，潘亚涛，陈健.基于DSP的USB传输系统的实现[J].电子技术,2002,(3):56-59.