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基于DSP核信号采集系统与上位机间的数据传输
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2017-10-26
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0．引言
随着数字信号处理技术理论的不断发展，数字信号处理器的发展也是日新月异。不仅执 行指令速度越来越快，而且其功耗也越来越低。许多仪器或检测设备都不约而同地将DSP 应用到那些数据量庞大而且需实时传送数据的系统中。核信号数据采集系统也不例外，利用 DSP 可以实时有效地处理采集的信号，并将处理数据发送至上位机进行进一步处理。通常 数据采集系统下位机与上位机的通讯采用串口方式，这种方式不仅协议简单，而且连接方便。
但是这种方式的数据传送速率不高，而USB 总线接口具有方便快捷、支持即插即用、可实现高速数据通讯等优点，在很多领域得到广泛应用。USB 总线接口在USB1.1 协议下传输速率可达12Mbps ，USB2.0 协议下可达480Mbps ，完全可以满足目前的数据采集控制系统对于 数据实时传输速率越来越高的要求。因此在本系统设计中其通讯方式采用USB（Universal Serial Bus）总线接口方式。 USB 控制芯片采用Cypress 公司EZ-USB SX2 系列的CY7C68001 控制芯片，DSP 选用TI 公司的定点DSP 芯片TMS320VC5502。
1．CY7C68001USB 控制芯片介绍
CY7C68001 是由美国Cypress 公司开发的高速USB 芯片，支持USB2.0 协议。其内部 集成有USB 收发器（物理层）、USB 串行接口引擎SIE（链路层，实现底层通信协议）、4KB的FIFO 以及电压调节器、锁相环；可工作于全速（12Mb/s）和高速（480Mb/s）两种传输模式， 支持8 位和16 位数据总线方式，具有同步和异步的FIFO 接口。CY7C68001 被用来与DSP、 ASIC、FPGA 等控制器连接实现USB 的功能，其内部不含微控制器。同时CY7C68001 提供4 种传输方式（控制传输、中断传输、批量传输和同步传输），可满足用户对各种传输方式的要求。由于该控制芯片内不含微控制器，USB 的应用层协议应该由DSP 编程实现，USB 固件的加载必须靠DSP 控制CY7C68001 完成。
2．通讯接口系统硬件设计
整个采集系统包括的部分有传感器信号调理电路、A/D 转换电路、FIFO 数据缓冲单元、 DSP 控制器、FLASH 程序存储单元、CPLD 逻辑控制单元、与上位机连接的USB 通讯单元。 其中与PC 机通讯的USB 单元硬件接口框图如下图所示。
图 1 数据采集系统与PC 机通讯的硬件接口框图
由图 1 可以看出，通讯部分主要由CY7C68001 USB 控制器、CPLD 逻辑单元、E2PROM、 TMS320VC5502 组成。由于整个系统所需的器件数目较多，由此带来的逻辑控制较为复杂， 而DSP 的I/O 接口有限，故在系统中加入了CPLD 逻辑控制单元，用于产生电路中需要的 逻辑状态。同时用CPLD 中还实现了寄存器功能，这部分寄存器用于表征USB 通讯时各种状态信息，便于DSP 查询。
CY7C68001 USB 控制器与TMS320VC5502 采用EMIF 连接方式，并将USB 控制器中 的存储器配置到CE1 空间。同时采用异步读写方式完成TMS320VC5502 与CY7C68001 之 间的数据和命令交换。系统中E2PROM 的作用是完成USB 控制器的描述表自举。CY7C68001 控制器的自举方式有两种：EEPROM 和微控制器，本系统采用EEPROM 方式。
3．通讯接口系统软件设计
3.1 主机端软件设计
主机端软件的功能主要是完成下位机上传数据的接收、显示、分析等。由于信号采集的 数据量较大，所以在USB 传输方式上采用批量传输方式。 主机端软件的设计包含3 个方面：
（1）USB 驱动程序设计
USB 驱动程序的功能主要是实现USB 发现、配置、关闭以及数据的传送接口控制。 USB 设备驱动程序的设计是基于WDM （Windows driver model ，驱动程序模型）的。WDM 采用分层驱动程序模型，分为较高级的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模块（US-BD）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 函数层由操作系统提供，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 设备通用端点建立通信来执行设备配置、数据与USB 协议框架和打包格式的双向转换任务。
（2）安装USB 的信息文件（.inf）
这一步用于将驱动程序绑定到特定设备的Verdor ID （VID） 和Product ID（ PID）。当USB 设备插入计算机时，计算机检测到设备插入后自动发出查询请求；USB 设备回应该请求， 并送出设备的VID /PID。计算机根据这两个ID 装载相应设备驱动程序，完成枚举。
（3）用户应用程序
用户应用程序是数据采集系统的核心，其主要功能为：开启或关闭USB 设备、检测USB 设备、设置USB 数据传输管道、设置A /D 状态和数据采集端口、实时从USB 接口采集数据、显示并分析数据。整个应用程序采用Microsoft Visual C++编写，通过对界面的控制实现 A/D 的采样以及数据的显示。
下面列举一些与应用程序有关的函数：
BOOLEAN OpenDriver （ ） ；
BOOLEAN CloseDriver （ ） ；
PVO ID Sx2GetDeviceDesc （ ） ；
PVO ID Sx2GetStringDesc （ int stringIndex） ；
PVO ID Sx2GetConfigDesc （ ） ；
BOOLEAN Sx2GetPipe Info （ PVO ID p Interface） ；
BOOLEAN Sx2SendVendorReq （ PVO ID myRequest， char * buffer， int bufferSize， int *
recnBytes） ；
BOOLEAN Sx2GetPipe Info （ PVO ID p Interface） ；
随着数字信号处理技术理论的不断发展，数字信号处理器的发展也是日新月异。不仅执 行指令速度越来越快，而且其功耗也越来越低。许多仪器或检测设备都不约而同地将DSP 应用到那些数据量庞大而且需实时传送数据的系统中。核信号数据采集系统也不例外，利用 DSP 可以实时有效地处理采集的信号，并将处理数据发送至上位机进行进一步处理。通常 数据采集系统下位机与上位机的通讯采用串口方式，这种方式不仅协议简单，而且连接方便。
但是这种方式的数据传送速率不高，而USB 总线接口具有方便快捷、支持即插即用、可实现高速数据通讯等优点，在很多领域得到广泛应用。USB 总线接口在USB1.1 协议下传输速率可达12Mbps ，USB2.0 协议下可达480Mbps ，完全可以满足目前的数据采集控制系统对于 数据实时传输速率越来越高的要求。因此在本系统设计中其通讯方式采用USB（Universal Serial Bus）总线接口方式。 USB 控制芯片采用Cypress 公司EZ-USB SX2 系列的CY7C68001 控制芯片，DSP 选用TI 公司的定点DSP 芯片TMS320VC5502。
1．CY7C68001USB 控制芯片介绍
CY7C68001 是由美国Cypress 公司开发的高速USB 芯片，支持USB2.0 协议。其内部 集成有USB 收发器（物理层）、USB 串行接口引擎SIE（链路层，实现底层通信协议）、4KB的FIFO 以及电压调节器、锁相环；可工作于全速（12Mb/s）和高速（480Mb/s）两种传输模式， 支持8 位和16 位数据总线方式，具有同步和异步的FIFO 接口。CY7C68001 被用来与DSP、 ASIC、FPGA 等控制器连接实现USB 的功能，其内部不含微控制器。同时CY7C68001 提供4 种传输方式（控制传输、中断传输、批量传输和同步传输），可满足用户对各种传输方式的要求。由于该控制芯片内不含微控制器，USB 的应用层协议应该由DSP 编程实现，USB 固件的加载必须靠DSP 控制CY7C68001 完成。
2．通讯接口系统硬件设计
整个采集系统包括的部分有传感器信号调理电路、A/D 转换电路、FIFO 数据缓冲单元、 DSP 控制器、FLASH 程序存储单元、CPLD 逻辑控制单元、与上位机连接的USB 通讯单元。 其中与PC 机通讯的USB 单元硬件接口框图如下图所示。
图 1 数据采集系统与PC 机通讯的硬件接口框图
由图 1 可以看出，通讯部分主要由CY7C68001 USB 控制器、CPLD 逻辑单元、E2PROM、 TMS320VC5502 组成。由于整个系统所需的器件数目较多，由此带来的逻辑控制较为复杂， 而DSP 的I/O 接口有限，故在系统中加入了CPLD 逻辑控制单元，用于产生电路中需要的 逻辑状态。同时用CPLD 中还实现了寄存器功能，这部分寄存器用于表征USB 通讯时各种状态信息，便于DSP 查询。
CY7C68001 USB 控制器与TMS320VC5502 采用EMIF 连接方式，并将USB 控制器中 的存储器配置到CE1 空间。同时采用异步读写方式完成TMS320VC5502 与CY7C68001 之 间的数据和命令交换。系统中E2PROM 的作用是完成USB 控制器的描述表自举。CY7C68001 控制器的自举方式有两种：EEPROM 和微控制器，本系统采用EEPROM 方式。
3．通讯接口系统软件设计
3.1 主机端软件设计
主机端软件的功能主要是完成下位机上传数据的接收、显示、分析等。由于信号采集的 数据量较大，所以在USB 传输方式上采用批量传输方式。 主机端软件的设计包含3 个方面：
（1）USB 驱动程序设计
USB 驱动程序的功能主要是实现USB 发现、配置、关闭以及数据的传送接口控制。 USB 设备驱动程序的设计是基于WDM （Windows driver model ，驱动程序模型）的。WDM 采用分层驱动程序模型，分为较高级的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模块（US-BD）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 函数层由操作系统提供，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 设备通用端点建立通信来执行设备配置、数据与USB 协议框架和打包格式的双向转换任务。
（2）安装USB 的信息文件（.inf）
这一步用于将驱动程序绑定到特定设备的Verdor ID （VID） 和Product ID（ PID）。当USB 设备插入计算机时，计算机检测到设备插入后自动发出查询请求；USB 设备回应该请求， 并送出设备的VID /PID。计算机根据这两个ID 装载相应设备驱动程序，完成枚举。
（3）用户应用程序
用户应用程序是数据采集系统的核心，其主要功能为：开启或关闭USB 设备、检测USB 设备、设置USB 数据传输管道、设置A /D 状态和数据采集端口、实时从USB 接口采集数据、显示并分析数据。整个应用程序采用Microsoft Visual C++编写，通过对界面的控制实现 A/D 的采样以及数据的显示。
下面列举一些与应用程序有关的函数：
BOOLEAN OpenDriver （ ） ；
BOOLEAN CloseDriver （ ） ；
PVO ID Sx2GetDeviceDesc （ ） ；
PVO ID Sx2GetStringDesc （ int stringIndex） ；
PVO ID Sx2GetConfigDesc （ ） ；
BOOLEAN Sx2GetPipe Info （ PVO ID p Interface） ；
BOOLEAN Sx2SendVendorReq （ PVO ID myRequest， char * buffer， int bufferSize， int *
recnBytes） ；
BOOLEAN Sx2GetPipe Info （ PVO ID p Interface） ；
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