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DSP和专用接口芯片的USB设计实现
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2017-11-03
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引言
各种测量仪器检测到的数据常常需要传送到PC机进行数据处理与存档，以充分利用PC机丰富的硬件和软件资源，获得更为完善和强大的数据处理、分析和存储能力。传统PC平台的数据采集卡受PC机插槽数目、地址、中断等硬件和软件资源的限制，可扩展性较差，安装拆卸困难，成本高。
自1994年11月提出通用串行总线（USB）以来，USB以其传输速率高、支持热插拔、易于扩展的突出优势，发展速度惊人，迅速席卷电子产品世界。在市场需求的强力驱动下，从1998年开始，USB接口进入测量仪器领域，并逐步被许多著名仪器公司接纳。在测量仪器中扩展USB接口已经成为一种发展趋势。针对不同的测量仪器，寻求一种普遍适用的USB接口解决方案，对于测量仪器的开发设计有十分重要的意义。
方案选择
开发USB设备一般有三种方式：一种是使用带USB接口的专用微控制器（MCU），这类MCU有自己的系统结构和指令，从底层专用于USB控制，比如Cypress公司的CY7C63xxx和CY7C64013，这类MCU的开发需要用专用工具，且性能有限；第二种方式是使用带USB接口的通用MCU，这类MCU只是基于一般芯片内核增加了USB接口，比如Intel公司的8x931、8x930以及Cypress公司的EZUSB等，这类MCU的开发语言和开发工具都和一般MCU相似，因而较易入手，但其缺点是成本较高；第三种方式是使用纯粹的USB接口芯片，通过外加MCU对其控制。如Philips公司的PDIUSBD12、ISP1581以及National公司的USBN9602、南京沁恒公司的CH372、CH375等。这类USB接口芯片价格较低、接口方便、灵活性高，针对不同的硬件环境可以配合多种MCU使用，如单片机、DSP、FPGA都可以。综合各方面因素考虑，本设计选用第三种方式，即采用专用USB接口芯片为测量仪器扩展USB接口。
硬件设计
USB控制器
USB控制器通过控制USB接口芯片实现协议处理和数据交换。在本设计中选用DSP芯片TMS320VC33作为微控制器，这主要是基于两方面的考虑：一是其运算速度较快，指令周期仅为13nS，可以最大限度地发挥USB接口芯片的潜力；二是该DSP芯片性价比高，且具有浮点运算功能，扩展浮点精度可达40位。
USB接口芯片
USB接口芯片用以完成USB通信底层的数据链路级交换，并对本地微控制器提供一个并行接口。
本文选用PHILIPS公司的PDIUSBD12作为USB接口芯片。该芯片可与任何微控制器实现高速并行接口（2Mb/s），允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本，是开发高效低成本的USB外围设备的一种快捷途径。
PDIUSBD12一共有三组端点：端点0完成控制传输；端点1可以配置成中断传输；端点2有128B的缓冲区，是主要的数据传输端点。
接口电路
DSP与PDIUSBD12的连接如图1所示。采用单独地址/数据总线配置，即用DSP的某地址线控制PDIUSBD12的A0引脚，实现命令数据的选择。A0=1表示传送命令，A0=0表示传送数据。片选（CS ）及挂起（SUSPEND）信号分别由DSP的I/O口控制。读写选通信号WR 、RD 可以用DSP的R/W引脚及其取反后控制。但这样需要在电路中增加反相器，为了节约器件从而缩小电路体积，可以另外选择一个I/O口控制PDIUSBD12的读选通RD。本设计中选用PAGE1，通过对不同地址的访问来区分对PDIUSBD12的读写操作。这样PDIUSBD12只占用微控制器的三个地址资源，其一用来向PDIUSBD12写命令，其二用来向PDIUSBD12写数据，另外一个用来从PDIUSBD12读数据。对DSP而言，PDIUSBD12就相当于一个有8位数据总线和3个地址的存储器件。
图1 USB接口连接示意图
设备采用自供电方式，需要将EOT 通过一个10k？的电阻接至USB电缆的VCC（+5V）端，并加1M？下拉电阻，借此检测USB设备是否已经连接到USB口。
软件设计
USB软件设计包括固件（firmware）程序、PC端的驱动程序和应用程序。其中固件程序要求编写者对复杂的USB通信协议有深刻的理解，编程难度较高，在本论文中将详细介绍。
各种测量仪器检测到的数据常常需要传送到PC机进行数据处理与存档，以充分利用PC机丰富的硬件和软件资源，获得更为完善和强大的数据处理、分析和存储能力。传统PC平台的数据采集卡受PC机插槽数目、地址、中断等硬件和软件资源的限制，可扩展性较差，安装拆卸困难，成本高。
自1994年11月提出通用串行总线（USB）以来，USB以其传输速率高、支持热插拔、易于扩展的突出优势，发展速度惊人，迅速席卷电子产品世界。在市场需求的强力驱动下，从1998年开始，USB接口进入测量仪器领域，并逐步被许多著名仪器公司接纳。在测量仪器中扩展USB接口已经成为一种发展趋势。针对不同的测量仪器，寻求一种普遍适用的USB接口解决方案，对于测量仪器的开发设计有十分重要的意义。
方案选择
开发USB设备一般有三种方式：一种是使用带USB接口的专用微控制器（MCU），这类MCU有自己的系统结构和指令，从底层专用于USB控制，比如Cypress公司的CY7C63xxx和CY7C64013，这类MCU的开发需要用专用工具，且性能有限；第二种方式是使用带USB接口的通用MCU，这类MCU只是基于一般芯片内核增加了USB接口，比如Intel公司的8x931、8x930以及Cypress公司的EZUSB等，这类MCU的开发语言和开发工具都和一般MCU相似，因而较易入手，但其缺点是成本较高；第三种方式是使用纯粹的USB接口芯片，通过外加MCU对其控制。如Philips公司的PDIUSBD12、ISP1581以及National公司的USBN9602、南京沁恒公司的CH372、CH375等。这类USB接口芯片价格较低、接口方便、灵活性高，针对不同的硬件环境可以配合多种MCU使用，如单片机、DSP、FPGA都可以。综合各方面因素考虑，本设计选用第三种方式，即采用专用USB接口芯片为测量仪器扩展USB接口。
硬件设计
USB控制器
USB控制器通过控制USB接口芯片实现协议处理和数据交换。在本设计中选用DSP芯片TMS320VC33作为微控制器，这主要是基于两方面的考虑：一是其运算速度较快，指令周期仅为13nS，可以最大限度地发挥USB接口芯片的潜力；二是该DSP芯片性价比高，且具有浮点运算功能，扩展浮点精度可达40位。
USB接口芯片
USB接口芯片用以完成USB通信底层的数据链路级交换，并对本地微控制器提供一个并行接口。
本文选用PHILIPS公司的PDIUSBD12作为USB接口芯片。该芯片可与任何微控制器实现高速并行接口（2Mb/s），允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本，是开发高效低成本的USB外围设备的一种快捷途径。
PDIUSBD12一共有三组端点：端点0完成控制传输；端点1可以配置成中断传输；端点2有128B的缓冲区，是主要的数据传输端点。
接口电路
DSP与PDIUSBD12的连接如图1所示。采用单独地址/数据总线配置，即用DSP的某地址线控制PDIUSBD12的A0引脚，实现命令数据的选择。A0=1表示传送命令，A0=0表示传送数据。片选（CS ）及挂起（SUSPEND）信号分别由DSP的I/O口控制。读写选通信号WR 、RD 可以用DSP的R/W引脚及其取反后控制。但这样需要在电路中增加反相器，为了节约器件从而缩小电路体积，可以另外选择一个I/O口控制PDIUSBD12的读选通RD。本设计中选用PAGE1，通过对不同地址的访问来区分对PDIUSBD12的读写操作。这样PDIUSBD12只占用微控制器的三个地址资源，其一用来向PDIUSBD12写命令，其二用来向PDIUSBD12写数据，另外一个用来从PDIUSBD12读数据。对DSP而言，PDIUSBD12就相当于一个有8位数据总线和3个地址的存储器件。
图1 USB接口连接示意图
设备采用自供电方式，需要将EOT 通过一个10k？的电阻接至USB电缆的VCC（+5V）端，并加1M？下拉电阻，借此检测USB设备是否已经连接到USB口。
软件设计
USB软件设计包括固件（firmware）程序、PC端的驱动程序和应用程序。其中固件程序要求编写者对复杂的USB通信协议有深刻的理解，编程难度较高，在本论文中将详细介绍。
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