USB2.0接口和DSP构成的高速数据采集系统的分析和设计

【摘  要】本文主要阐述了USB2.0接口和DSP构成的高速数据采集系统的工作原理、结构组成及其设计与实现。为达到设计的要求，详细地对其系统组成器件的选择及其特性和硬件的连接作了说明。重点介绍了USB技术及其软件设计。在这部分中，介绍了讲述了相关的主机接口，这类接口简化了主机内部客户软件与设备应用之间的通信。本章所涉及的具体实例部分只是作为例子，以阐述主机系统响应USB设备请求的行为。USB主机可以提供不同的软件系统实现方法，完成相应的主机操作。系统软件设计过程中常见故障的分析。
【关键词】USB2.0接口  DSP  高速数据采集系统

The Analysis and Design That USB2.0 Connects the High-speed Data That and DSP Donstitute to Collect the System

Abstract This text mainly elaborated that the USB2.0 connects the high-speed data that and DSP constitute to collect the work principle, structure of the system to constitute and it designs with the realization. In order to attain the request of design, detailed as to it's the system constituted the choice of the machine piece and the conjunction of the hardwares to make the elucidation. The point introduced technique of USB and its software designs. In this section describes the host interfaces necessary to facilitate USB communication between a software client, resident on the host, and a function implemented on a device. The implementation described in this chapter is not required. This implementation is provided as an example to illustrate the host system behavior expected by a USB device. A host system may provide a different host software implementation as long as a USB device experiences the same host behavior . In the system software design process the analysis of the familiar breakdown.
Key words USB2.0 interfaces  DSP  The high-speed data collects the system

一  绪言
　　随着数字信号处理理论和计算机的不断发展，现代工业生产和科学技术研究都需要借助于数字处理方法。进行数字处理的先决条件是将所研究的对象进行数字化，因此数据采集与处理技术日益得到重视。在图像处理、瞬态信号检测、软件无线电等一些领域，更是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集与处理技术。现在的高速数据采集处理卡一般采用高性能数字信号处理器（DSP）和高速总线技术的框架结构。DSP用于完成计算量巨大的实时处理算法，高速总线技术则完成处理结果或者采样数据的快速传输。DSP主要采用TI或者ADI公司的产品，高速总线可以采用ISA、PCI、USB等总线技术。目前，使用比较广泛的是PCI总线，虽然其有很多优点，但是存在如下严重缺陷：易受机箱内环境的影响，受计算机插槽数量的地址、中断资源的限制而不可能挂接很多设备等。USB总线由于具有安装方便、传输速率高、易扩展等优点，其中USB2.0标准有着高达4800bps的传输速率，已经逐渐成为计算机接口的主流。本设计是一个采用USB2.0接口和高性能DSP的高速数据采集处理系统，主要是为光纤通信中密集波分复用系统的波长检测与调整所设计的，也可以应用于像图像处理、雷达信号处理等相关领域。
二  系统原理及器件选用
（一）系统原理及简介
　　整个高速数据采集处理系统的硬件构成为：高速ADC、高速大容量数据缓冲存储器、高性能DSP和USB2.0接口。系统组成的原理框图如图2-1所示。
　　
　　外界输入信号经A/D采样后，采集到的数据先保存在高速数据缓存中，数据采集结束后DSP从缓存中读取数据开始信号处理。信号处理的算法已编成程序保存在外部的Flash芯片上，供DSP上电读程序到其内部RAM单元，全速运行程序。信号处理后的数据通过USB2.0接口依次传送到主机方，把数据数值存储在PC机内。
（二）系统组成器件的选择
　　高性能DSP采用TI公司的TMS320C6000系列定点DSP中的TMS320C6203B；高速ADC采用TI公司的ADS5422，12位采样，最高采样频率为105MHz；PC机接口采用USB2.0，理论最大数据传输速率为480Mbps，器件选用Cypress公司EZ-USB FX2系列中的CY7C68013；数据缓冲采用IDT公司的高速大容量FIFO器件IDT72V2113；程序存储在Flash存储器中，器件选用SST291E010。下面逐一介绍各个器件的主要特性。
1．高速A/D转换器
　　高速A/D转换器选用美国TI公司生产的高速并行14位模数转换器ADS5422，其最高采样频率达到62MHz，采样频率为100MHz时，SNR（信躁比）为72dB，SFDR（寄生动态范围）为85dB。模拟信号输入可以是单端输入方式或者差分输入方式，最高输入信号峰峰值为4V，单一5V电源供电。输出数字信号完全兼容3.3V器件，并且提供输入信号满量程标志以及输出数字信号有效标志，从而方便和其它器件的连接。
2．高速缓存FIFO
　　高速缓存是系统中的一个关键环节。IDT72V2113是由美国IDT公司生产的高速大容量先进先出存储器件（FIFO）。其最高工作频率为133MHz；容量为512KB，可以通过引脚方便的将容量设置成512K×9bit或者256K×18bit两种方式；IDT72V2113可以设置标准工作模式或者FWFT（Fist Word Fall Through）工作模式，并提供全满、半满、全空、将满以及将空等五种标志信号，非常方便进行容量扩展。
　　大容量数据存储是高速数据采集系统迫切需要解决的问题，例如，一个20M采样速率、8位的ADC，在一秒钟的时间内所采集到的数据量是20M字节，虽然IDT72V2113的单片容量是512K×9bit，可以很好的满足一般的数据采集系统的需要，但是，对于高速、无间隔的数据采集系统来说，一片的容量是不够的。IDT72V2113便于扩展的特性可以很容易地解决这个问题，而且不需要外部控制电路，连接简单、可靠，很方便电路设计及软件开发。其容量扩展可以分为字长扩展和深度扩展。
　　IDT72V2113的字长扩展比较简单，只要把各个芯片的控制信号连在一起就可以实现。这里需要注意的是 EF/IR和FF/OR两个引脚，在标准模式下这两个管脚的功能为EF和FF，把各个芯片这两个管脚分别相与；在FWFT模式下，这两个管脚功能为IR和OR，把各个芯片的这两个管脚分别相或，这样就可以确保同步读写每一个IDT72V213。
　　IDT72V2113的深度扩展方式仅适用于FWFT工作模式。其中，传输时钟可以选择写时钟和读时钟中频率较高的那个时钟信号。工作原理为：当有数据写入第一片FIFO中后，其输出允许信号（OR）低有效，从而使第二片FIFO的写使能信号有效；同时，只要第二片FIFO中仍有空间，它的输入允许信号（IR）低有效，从而使第一片FIFO的读使能信号（REN）有效，这样，在传输时钟的驱动下，数据由第一片FIFO向第二片FIFO传送，直到第二片FIFO写满为止，以后的数据将储存在第一片FIFO中。通过深度扩展，两片IDT72V2113可形成容量为1M×9 bit的数据缓冲。
　　IDT72V2113不仅可以通过字长扩展和深度扩展来实现容量扩展，而且可以将两者结合起来，进行更大容量的扩展，如用四片IDT72V2113扩展成容量为1M 18 bit的数据缓冲。
3．高性能DSP处理器
　　DSP是整个采集系统的核心。TMS320C6203B是TI公司高性能数字信号处理器TMS320C6000系列的一种，采用修正的哈佛总线结构，共有一套256位的程序总线、两套32位的程序总线和一套32位的DMA专用总线；内部有8个功能单元可以并行操作，工作频率最大为300M，最大处理能力为2400MIPS；内部集成了丰富的外围设备接口，如外部存储器接口（EMIF）、外部扩展总线（XB）、多通道缓冲串口（McBSPS ）和主机接口（HPI），与外部存储器、协处理器、主机以及串行设备的连接非常方便。
　　TMS320C6203B的DMA控制器有以下特点：共有4个通道，32位寻址能力，可以对存储器映射空间的任何一个区域进行访问；传送数据支持8位、16位和32位字长；灵活的地址产生方式，支持多帧传输方式；每次传输完毕后，可以进行DMA通道的自动初始化；传输操作可以由选择的同步事件触发。DMA寄存器的设置包括以下几个寄存器：通道的主、副控制寄存器，通道的源地址、目的地址寄存器，通道传输计数寄存器，DMA全局地址寄存器，DMA全局索引寄存器，DMA全局计数重载寄存器。
　　TMS320C6203B的外部扩展总线（XB）宽度为32位，可以连接外部异步设备、异步或同步FIFO、PCI控制器和其他一些外部控制器。外部扩展总线由I/O总线和主机口接口组成。I/O总线有异步I/O工作模式和同步FIFO工作模式，其中同步FIFO模式与标准同步FIFO可以实现无缝连接，可以同时无缝实现四个FIFO写借口或者实现三个FIFO写接口及一个FIFO读接口。通过无缝连接实现FIFO读接口，FIFO必须连接到XCE3空间。
4．USB2.0接口
　　USB（Universal Serial Bus）总线是Intel、NEC、Microsoft、IBM等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范。为了适应高速传输的需要，2000年4月，这些公司在原1.1协议的基础上制订了USB2.0传输协议，已超过了目前IEEE1394接口400Mbps的传输速度，达到了480Mbps。USB总线使用简单，支持即插即用PnP（Plug And Play），一台主机可串连127个USB设备。设备与主机之间通过轻便、柔性好的USB线缆连接，最长可达5ｍ，使设备具有移动性，可自由挂接在具有USB接口的运行在Windows98/2000/XP平台的PC机上。USB总线已被越来越多的标准外设和用户自定义外设所使用，如鼠标、键盘、扫描仪、音箱等。
　　CY7C68013是美国Cypress公司推出的EZ-USB FX2系列中的USB2.0芯片，是目前市面上比较少的符合USB2.0标准的USB控制器之一，是一个全面集成的解决方案，它占用更少的电路板空间，并缩短了开发时间。

上电后，ADS5422一直工作，采样产生的数据是否存储到IDT72V2113中，由TMS320C6203B的DX0引脚状态来决定。TMS320C6203B进行初始化，外部扩展总线的XCE3设置为同步FIFO读操作模式。DMA通道0配置为每次传输1帧，每帧 1024个半字，同步事件设置为外部中断4，触发极性为高电平，初始化定时器0，定时间隔为22ms。当外部同步信号到来时，启动定时器0，手动启动DMA通道0，同时设置DX0为低电平。ADS5422采样产生的数据开始写入IDT72V2113，当定时器0中断到来时，设置DX0为高电平，关闭IDT72V2113的写使能，采样数据不再存储到IDT72V2113内。随着数据不断写入IDT72V2113，当其内部的数据量大于1023个半字时，IDT72V2113的将空标志信号（PAE）由低电平变为高电平，使得TMS320C6203B的外部中断信号有效，从而触发DMA传输，TMS320C6203B的DMA通道0通过外部扩展总线（XB）读取1024个半字的数据，存储于内部RAM中，传输结束后向TMS320C6203B发送中断，通知TMS320C6203B处理数据。待其处理完数据后，通过USB2.0接口发送处理结果，然后重新启动DMA通道0，进行下一次DMA传输。如此循环，直到处理完所有数据。当下一个外部同步信号到来时，进行下一轮数据采集处理过程。