導(dǎo)語：高速數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

【摘要】本文主要闡述了USB2.0接口和DSP構(gòu)成的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。為達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，詳細(xì)地對(duì)其系統(tǒng)組成器件的選擇及其特性和硬件的連接作了說明。重點(diǎn)介紹了USB技術(shù)及其軟件設(shè)計(jì)。在這部分中，介紹了講述了相關(guān)的主機(jī)接口，這類接口簡化了主機(jī)內(nèi)部客戶軟件與設(shè)備應(yīng)用之間的通信。本章所涉及的具體實(shí)例部分只是作為例子，以闡述主機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)USB設(shè)備請(qǐng)求的行為。USB主機(jī)可以提供不同的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，完成相應(yīng)的主機(jī)操作。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中常見故障的分析。

【關(guān)鍵詞】USB2.0接口DSP高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

TheAnalysisandDesignThatUSB2.0ConnectstheHigh-speedDataThatandDSPDonstitutetoCollecttheSystem

AbstractThistextmainlyelaboratedthattheUSB2.0connectsthehigh-speeddatathatandDSPconstitutetocollecttheworkprinciple,structureofthesystemtoconstituteanditdesignswiththerealization.Inordertoattaintherequestofdesign,detailedastoit''''sthesystemconstitutedthechoiceofthemachinepieceandtheconjunctionofthehardwarestomaketheelucidation.ThepointintroducedtechniqueofUSBanditssoftwaredesigns.InthissectiondescribesthehostinterfacesnecessarytofacilitateUSBcommunicationbetweenasoftwareclient,residentonthehost,andafunctionimplementedonadevice.Theimplementationdescribedinthischapterisnotrequired.ThisimplementationisprovidedasanexampletoillustratethehostsystembehaviorexpectedbyaUSBdevice.AhostsystemmayprovideadifferenthostsoftwareimplementationaslongasaUSBdeviceexperiencesthesamehostbehavior.Inthesystemsoftwaredesignprocesstheanalysisofthefamiliarbreakdown.

KeywordsUSB2.0interfacesDSPThehigh-speeddatacollectsthesystem

一緒言

隨著數(shù)字信號(hào)處理理論和計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究都需要借助于數(shù)字處理方法。進(jìn)行數(shù)字處理的先決條件是將所研究的對(duì)象進(jìn)行數(shù)字化，因此數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)日益得到重視。在圖像處理、瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)、軟件無線電等一些領(lǐng)域，更是要求高速度、高精度、高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)?，F(xiàn)在的高速數(shù)據(jù)采集處理卡一般采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和高速總線技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)。DSP用于完成計(jì)算量巨大的實(shí)時(shí)處理算法，高速總線技術(shù)則完成處理結(jié)果或者采樣數(shù)據(jù)的快速傳輸。DSP主要采用TI或者ADI公司的產(chǎn)品，高速總線可以采用ISA、PCI、USB等總線技術(shù)。目前，使用比較廣泛的是PCI總線，雖然其有很多優(yōu)點(diǎn)，但是存在如下嚴(yán)重缺陷：易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的影響，受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量的地址、中斷資源的限制而不可能掛接很多設(shè)備等。USB總線由于具有安裝方便、傳輸速率高、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，其中USB2.0標(biāo)準(zhǔn)有著高達(dá)4800bps的傳輸速率，已經(jīng)逐漸成為計(jì)算機(jī)接口的主流。本設(shè)計(jì)是一個(gè)采用USB2.0接口和高性能DSP的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，主要是為光纖通信中密集波分復(fù)用系統(tǒng)的波長檢測(cè)與調(diào)整所設(shè)計(jì)的，也可以應(yīng)用于像圖像處理、雷達(dá)信號(hào)處理等相關(guān)領(lǐng)域。

二系統(tǒng)原理及器件選用

（一）系統(tǒng)原理及簡介

整個(gè)高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件構(gòu)成為：高速ADC、高速大容量數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器、高性能DSP和USB2.0接口。系統(tǒng)組成的原理框圖如圖2-1所示。

外界輸入信號(hào)經(jīng)A/D采樣后，采集到的數(shù)據(jù)先保存在高速數(shù)據(jù)緩存中，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后DSP從緩存中讀取數(shù)據(jù)開始信號(hào)處理。信號(hào)處理的算法已編成程序保存在外部的Flash芯片上，供DSP上電讀程序到其內(nèi)部RAM單元，全速運(yùn)行程序。信號(hào)處理后的數(shù)據(jù)通過USB2.0接口依次傳送到主機(jī)方，把數(shù)據(jù)數(shù)值存儲(chǔ)在PC機(jī)內(nèi)。

（二）系統(tǒng)組成器件的選擇

高性能DSP采用TI公司的TMS320C6000系列定點(diǎn)DSP中的TMS320C6203B；高速ADC采用TI公司的ADS5422，12位采樣，最高采樣頻率為105MHz；PC機(jī)接口采用USB2.0，理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率為480Mbps，器件選用Cypress公司EZ-USBFX2系列中的CY7C68013；數(shù)據(jù)緩沖采用IDT公司的高速大容量FIFO器件IDT72V2113；程序存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器中，器件選用SST291E010。下面逐一介紹各個(gè)器件的主要特性。

1．高速A/D轉(zhuǎn)換器

高速A/D轉(zhuǎn)換器選用美國TI公司生產(chǎn)的高速并行14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS5422，其最高采樣頻率達(dá)到62MHz，采樣頻率為100MHz時(shí)，SNR（信躁比）為72dB，SFDR（寄生動(dòng)態(tài)范圍）為85dB。模擬信號(hào)輸入可以是單端輸入方式或者差分輸入方式，最高輸入信號(hào)峰峰值為4V，單一5V電源供電。輸出數(shù)字信號(hào)完全兼容3.3V器件，并且提供輸入信號(hào)滿量程標(biāo)志以及輸出數(shù)字信號(hào)有效標(biāo)志，從而方便和其它器件的連接。

2．高速緩存FIFO

高速緩存是系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。IDT72V2113是由美國IDT公司生產(chǎn)的高速大容量先進(jìn)先出存儲(chǔ)器件（FIFO）。其最高工作頻率為133MHz；容量為512KB，可以通過引腳方便的將容量設(shè)置成512K×9bit或者256K×18bit兩種方式；IDT72V2113可以設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)工作模式或者FWFT（FistWordFallThrough）工作模式，并提供全滿、半滿、全空、將滿以及將空等五種標(biāo)志信號(hào)，非常方便進(jìn)行容量擴(kuò)展。

大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)迫切需要解決的問題，例如，一個(gè)20M采樣速率、8位的ADC，在一秒鐘的時(shí)間內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)量是20M字節(jié)，雖然IDT72V2113的單片容量是512K×9bit，可以很好的滿足一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要，但是，對(duì)于高速、無間隔的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，一片的容量是不夠的。IDT72V2113便于擴(kuò)展的特性可以很容易地解決這個(gè)問題，而且不需要外部控制電路，連接簡單、可靠，很方便電路設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)。其容量擴(kuò)展可以分為字長擴(kuò)展和深度擴(kuò)展。

IDT72V2113的字長擴(kuò)展比較簡單，只要把各個(gè)芯片的控制信號(hào)連在一起就可以實(shí)現(xiàn)。這里需要注意的是EF/IR和FF/OR兩個(gè)引腳，在標(biāo)準(zhǔn)模式下這兩個(gè)管腳的功能為EF和FF，把各個(gè)芯片這兩個(gè)管腳分別相與；在FWFT模式下，這兩個(gè)管腳功能為IR和OR，把各個(gè)芯片的這兩個(gè)管腳分別相或，這樣就可以確保同步讀寫每一個(gè)IDT72V213。

IDT72V2113的深度擴(kuò)展方式僅適用于FWFT工作模式。其中，傳輸時(shí)鐘可以選擇寫時(shí)鐘和讀時(shí)鐘中頻率較高的那個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。工作原理為：當(dāng)有數(shù)據(jù)寫入第一片F(xiàn)IFO中后，其輸出允許信號(hào)（OR）低有效，從而使第二片F(xiàn)IFO的寫使能信號(hào)有效；同時(shí)，只要第二片F(xiàn)IFO中仍有空間，它的輸入允許信號(hào)（IR）低有效，從而使第一片F(xiàn)IFO的讀使能信號(hào)（REN）有效，這樣，在傳輸時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)據(jù)由第一片F(xiàn)IFO向第二片F(xiàn)IFO傳送，直到第二片F(xiàn)IFO寫滿為止，以后的數(shù)據(jù)將儲(chǔ)存在第一片F(xiàn)IFO中。通過深度擴(kuò)展，兩片IDT72V2113可形成容量為1M×9bit的數(shù)據(jù)緩沖。

IDT72V2113不僅可以通過字長擴(kuò)展和深度擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展，而且可以將兩者結(jié)合起來，進(jìn)行更大容量的擴(kuò)展，如用四片IDT72V2113擴(kuò)展成容量為1M18bit的數(shù)據(jù)緩沖。

3．高性能DSP處理器

DSP是整個(gè)采集系統(tǒng)的核心。TMS320C6203B是TI公司高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6000系列的一種，采用修正的哈佛總線結(jié)構(gòu)，共有一套256位的程序總線、兩套32位的程序總線和一套32位的DMA專用總線；內(nèi)部有8個(gè)功能單元可以并行操作，工作頻率最大為300M，最大處理能力為2400MIPS；內(nèi)部集成了豐富的外圍設(shè)備接口，如外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）、外部擴(kuò)展總線（XB）、多通道緩沖串口（McBSPS）和主機(jī)接口（HPI），與外部存儲(chǔ)器、協(xié)處理器、主機(jī)以及串行設(shè)備的連接非常方便。

TMS320C6203B的DMA控制器有以下特點(diǎn)：共有4個(gè)通道，32位尋址能力，可以對(duì)存儲(chǔ)器映射空間的任何一個(gè)區(qū)域進(jìn)行訪問；傳送數(shù)據(jù)支持8位、16位和32位字長；靈活的地址產(chǎn)生方式，支持多幀傳輸方式；每次傳輸完畢后，可以進(jìn)行DMA通道的自動(dòng)初始化；傳輸操作可以由選擇的同步事件觸發(fā)。DMA寄存器的設(shè)置包括以下幾個(gè)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，通道傳輸計(jì)數(shù)寄存器，DMA全局地址寄存器，DMA全局索引寄存器，DMA全局計(jì)數(shù)重載寄存器。

TMS320C6203B的外部擴(kuò)展總線（XB）寬度為32位，可以連接外部異步設(shè)備、異步或同步FIFO、PCI控制器和其他一些外部控制器。外部擴(kuò)展總線由I/O總線和主機(jī)口接口組成。I/O總線有異步I/O工作模式和同步FIFO工作模式，其中同步FIFO模式與標(biāo)準(zhǔn)同步FIFO可以實(shí)現(xiàn)無縫連接，可以同時(shí)無縫實(shí)現(xiàn)四個(gè)FIFO寫借口或者實(shí)現(xiàn)三個(gè)FIFO寫接口及一個(gè)FIFO讀接口。通過無縫連接實(shí)現(xiàn)FIFO讀接口，F(xiàn)IFO必須連接到XCE3空間。

4．USB2.0接口

USB（UniversalSerialBus）總線是Intel、NEC、Microsoft、IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線接口規(guī)范。為了適應(yīng)高速傳輸?shù)男枰?000年4月，這些公司在原1.1協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂了USB2.0傳輸協(xié)議，已超過了目前IEEE1394接口400Mbps的傳輸速度，達(dá)到了480Mbps。USB總線使用簡單，支持即插即用PnP（PlugAndPlay），一臺(tái)主機(jī)可串連127個(gè)USB設(shè)備。設(shè)備與主機(jī)之間通過輕便、柔性好的USB線纜連接，最長可達(dá)5m，使設(shè)備具有移動(dòng)性，可自由掛接在具有USB接口的運(yùn)行在Windows98/2000/XP平臺(tái)的PC機(jī)上。USB總線已被越來越多的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和用戶自定義外設(shè)所使用，如鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀、音箱等。

CY7C68013是美國Cypress公司推出的EZ-USBFX2系列中的USB2.0芯片，是目前市面上比較少的符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的USB控制器之一，是一個(gè)全面集成的解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短了開發(fā)時(shí)間。

上電后，ADS5422一直工作，采樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是否存儲(chǔ)到IDT72V2113中，由TMS320C6203B的DX0引腳狀態(tài)來決定。TMS320C6203B進(jìn)行初始化，外部擴(kuò)展總線的XCE3設(shè)置為同步FIFO讀操作模式。DMA通道0配置為每次傳輸1幀，每幀1024個(gè)半字，同步事件設(shè)置為外部中斷4，觸發(fā)極性為高電平，初始化定時(shí)器0，定時(shí)間隔為22ms。當(dāng)外部同步信號(hào)到來時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器0，手動(dòng)啟動(dòng)DMA通道0，同時(shí)設(shè)置DX0為低電平。ADS5422采樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)開始寫入IDT72V2113，當(dāng)定時(shí)器0中斷到來時(shí)，設(shè)置DX0為高電平，關(guān)閉IDT72V2113的寫使能，采樣數(shù)據(jù)不再存儲(chǔ)到IDT72V2113內(nèi)。隨著數(shù)據(jù)不斷寫入IDT72V2113，當(dāng)其內(nèi)部的數(shù)據(jù)量大于1023個(gè)半字時(shí)，IDT72V2113的將空標(biāo)志信號(hào)（PAE）由低電平變?yōu)楦唠娖剑沟肨MS320C6203B的外部中斷信號(hào)有效，從而觸發(fā)DMA傳輸，TMS320C6203B的DMA通道0通過外部擴(kuò)展總線（XB）讀取1024個(gè)半字的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于內(nèi)部RAM中，傳輸結(jié)束后向TMS320C6203B發(fā)送中斷，通知TMS320C6203B處理數(shù)據(jù)。待其處理完數(shù)據(jù)后，通過USB2.0接口發(fā)送處理結(jié)果，然后重新啟動(dòng)DMA通道0，進(jìn)行下一次DMA傳輸。如此循環(huán)，直到處理完所有數(shù)據(jù)。當(dāng)下一個(gè)外部同步信號(hào)到來時(shí)，進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)采集處理過程。