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基于DSP的核信号采集系统通讯接口设计方案
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2017-11-01
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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。
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。
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