摘 要：介紹了一種利用USB2.0的高速傳輸特性，基于USB和DSP的數據采集" title="數據采集">數據采集系統。詳細論述了系統的總體結構、部分硬件設計，并簡要敘述了相應固件程序的實現。
關鍵詞：USB? DSP? FPGA? 高速傳輸
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測量儀器一般由數據采集、數據分析和顯示三部分組成，而數據分析和顯示可以由PC機的軟件來完成，因此只要額外提供一定的數據采集硬件就可以和PC機組成測量儀器。這種基于PC機的測量儀器被稱為虛擬儀器[1]。而在一些數據量比較大、采集時間比較長的場合，就需要采用高速的數據傳輸通道。基于虛擬儀器的思想和高速傳輸通道的要求，設計了一種基于DSP和USB2.0的高速數據傳輸接口。
1 數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統硬件
數據采集系統由A/D數據采集單元、USB從接口單元、U盤讀寫單元組成。硬件原理圖如圖1所示。被測信號經A/D轉換后寫入FIFO中；當FIFO數據半滿后，產生中斷，通知DSP進行數據壓縮處理；DSP把壓縮好的數據依次寫入USB接口芯片" title="接口芯片">接口芯片的4個從FIFO中，4個從FIFO對應USB的4個端點，DSP一邊寫入數據，已寫滿的從FIFO就一邊通過相應端點由SIE把數據發送到上位機，上位機一邊把收到的數據通過多線程存儲到硬盤中，一邊把數據解壓并把波形實時顯示出來。對于少量的數據，可以存儲到U盤，送回PC機進行分析顯示。
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1.1 A/D采集模塊
作為單通道輸入的MAX1189，主要控制信號有CS、R/C(Read/Conversion)、EOC(End of Conversion)。圖2為MAX1189的時序圖[2]。如圖2所示，每個采樣周期長達CS信號的三個周期。在第一個CS信號的下降沿，如果R/C為低電平，也就進入了應答模式，這是開始采樣前必須的準備工作。為了適應不同的輸入極性要求，MAX1189的內部參考電壓可以在每次轉換結束后進行設置，這是通過在第二個CS下降沿時，R/C的高低電平變化來控制的，非常簡便。低電平時，ADC內部參考電壓無需進行轉換，這樣在開始下一個周期的轉換時無需等待電壓的變化。高電平" title="高電平">高電平時，內部參考電壓會進行調變，這樣在開始下一周期的轉換時需要等待大約12?滋s的時間。在CS信號的第三個下降沿，EOC信號變為低電平，表示采樣結束，此時R/C信號為高電平，會把采樣數據放到總線上，這樣就完成了一個周期的采樣。采樣模塊的控制信號是由FPGA控制的。
1.2 DSP與FIFO的連接
主處理器DSP既要控制采集，又要完成數據的處理和傳輸，因此數據采集模塊采集來的數據不能直接傳送給DSP,這會極大影響DSP的處理效率。解決辦法是利用數據緩沖器如雙口RAM、FIFO等，對數據進行適度緩存，當緩存的數據量達到一個設定值時，可以通知CPU進行一次高速數據傳輸，將緩存的數據一次性地讀入。在設計中采用了緩沖，較好地解決了采集端與處理端的速度匹配問題。
FIFO的讀寫由各自的控制時鐘FIFOR和FIFOW控制，寫時鐘與采樣時鐘同步，讀時鐘與DSP處理數據的時序有關。當FIFO半滿后，FPGA會根據FIFOHF、FIFOE/F、FIFOPAFE的相應位判斷FIFO是否半滿，FPGA便向DSP發出中斷請求。本設計中采用外部中斷的EXTINT3來作為FIFO緩沖數據的DMA傳輸觸發事件。DSP響應FPGA中斷請求，讀取數據進行數據壓縮。當DSP數據處理速度跟不上采集數據速度時，FIFO就會全滿，FPGA根據FIFOHF、FIFOE/F、FIFOPAFE相應位狀態判斷到FIFO已全滿，于是向USB接口芯片單片機發出最高級中斷請求，通知系統數據己溢出，采集發生嚴重錯誤。
1.3 USB從接口電路
USB從接口單元采用CYPRESS的CY7C68013芯片。如圖3所示，USB接口芯片CY7C68013由3.3V電源供電。PAO/INTO#選擇INTO工作方式，其中斷級別最高，當FIFO全滿造成數據溢出導致數據采集發生嚴重錯誤時，該中斷請求發生，系統通知數據溢出錯誤，并停止數據采集。RESET#為USB接口芯片復位輸入。
USB的FDO～FDl5與DSP的I/O數據線相連，用于DSP與USB從FIFO通信，SLWR為寫控制時鐘。FLAGB、FLAGC用于輸出2,4,6,8相應端點從FIFO的空滿狀態，以便DSP寫USB從FIFO時獲取空滿狀態。
FIFOADRO、FIFOADR1用于DSP尋址2,4,6,8相應端點USB從FIFO，FIFOADRO及FIFOADR1功能真值表如表1所示。FIFOADRO、FIFOADR1的初值為00，對應DSP寫端點2的從FIFO, FPGA對寫USB從FIFO的控制時鐘SLWR計數，當達到512次時，表示端點2己寫滿，計數器清零，FIFOADRO和FIFOADR1的值自加一次變為01，對應DSP寫端點4的從FIFO。以此類推，DSP依次寫2,4,6,8端點數據，當FIFOADRO和FIFOADR1的值為11時，再自加一次，FIFOADRO和FIFOADR1的值又變為00,因此，DSP可循環寫2,4,6,8端點。需要說明的是，當DSP開始寫一新端點的從FIFO之前，DSP要讀一次FLAGB、FLAGC標志位，若該端點不空，則等待；若空，則進行寫數據操作[3]。
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1.4 U盤讀寫單元
此電路單元采用USB主控芯片CH375。CH375 是一USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE設備方式。此系統中只采用USB的主功能，用來讀寫U盤[4]。
CH375 芯片的RD#和WR#引腳分別連接DSP的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳。CS#由地址譯碼電路驅動。INT#輸出的中斷請求是低電平有效，可以連接到DSP的中斷輸入引腳。當WR#為高電平并且CS#和RD#及A0都為低電平時，CH375中的數據通過D7～D0 輸出；當RD#為高電平并且CS#和WR#及A0都為低電平時，D7～D0上的數據被寫入CH375芯片中；當RD#為高電平并且CS#和WR#都為低電平而A0 為高電平時，D7～D0上的數據被作為命令碼寫入CH375芯片中。CH375內置了處理Mass-Storage 海量存儲設備的專用通訊協議的固件，DSP可以直接以扇區為基本單位讀寫常用的USB 存儲設備（包括USB硬盤/USB閃存盤/U 盤）。
2 軟件設計
本設計的軟件主要由兩大部分組成：USB芯片軟件及DSP通信軟件。其中，USB芯片軟件的設計是關鍵，它又包括固化程序、驅動程序、PC機端應用程序" title="應用程序">應用程序[5]以及DSP端通信接口程序。
2.1 固化程序
?USB芯片的固化程序主要負責：
(1) 寄存器初始化工作，設置一些特殊功能寄存器的初值以實現所需的屬性或者功能；
(2) 輔助硬件完成設備的枚舉過程，對主機的設備請求作出適當的響應；
(3) 完成中斷處理、數據接收及發送以及對外圍電路的控制。
2.2 驅動程序
開發USB設備驅動程序可采用Jungo公司的WinDriverv6．03，并以VC++6.0作為輔助開發環境。利用WinDriver提供的開發平臺，用戶即可完成驅動程序的設計工作，剩下的底層細節由WinDriver內核統一處理，從而降低了對開發者編程能力的要求，同時也大大縮短了開發周期。下面對使用WinDriver開發驅動程序的步驟作一個簡要說明：
(1) 啟動WinDriver的DriverWizard工具；
(2) 利用DriverWizard檢測硬件是否正常；
(3) 在DriverWizard中選擇所使用的開發環境，這里使用VC6．0開發環境，并生成驅動程序代碼；
(4) 對生成的代碼進行修改，使其符合系統的需要；
(5) 在WinDriver環境的用戶模式下調試驅動程序。
2.3 PC端應用程序
USB主機應用程序是計算機中完成特定功能的程序，其關鍵是實現從USB 外設讀取或發送特定數量的數據、USB標準設備請求和特定的命令等。另外，可以對數據做進一步的處理，如：存儲、顯示、快速傅立葉變換等。
主機應用程序的編寫使用ＶＣ編譯環境中的ＡＰＩ函數實現。應用程序的編程方法與串口編程類似。首先必須查找設備，調用WIN32函數CreateFilea( )打開設備的句柄；然后調用WIN32函數DeviceIoControl( )就可以進行數據讀寫和控制操作；最后關閉設備句柄。
2.4 DSP端通信接口程序
在本設計中，DSP處于主控地位，通過INT中斷決定什么時候接收USB送來的數據，并把接收來的數據做簡單的壓縮運算，決定何時往USB發送這些數據。在讀數據時，應首先判斷FX2的FIFO2是否為空，如果不為空則將數據讀進來，一次讀進一個16位數。在寫數據時，首先判斷要寫的數據個數是否為512字節的整倍數。
由于開發此系統涉及到USB驅動開發以及應用程序的設計，比較繁瑣，嘗試利用Mass Storage協議開發虛擬設備，把數據采集卡當作一個Windows的外圍設備，采用文件系統格式直接以文件形式存儲數據。這部分主要是修改CY7C68013的固件程序，如設備描述符、端點描述符，主機會把采集卡認為是一Mass Storage設備，然后利用SCSI協議以及文件系統就可以直接存儲由DSP傳過來的數據，這樣就省去了復雜的驅動和應用程序設計。
本文介紹了基于USB2.0的16bit數據采集系統，采用數據壓縮算法完成了數據量的壓縮以及高速數據傳輸[6]。由于USB的即插即用特性，彌補了傳統數據采集卡插拔困難的缺點，相信隨著技術的進步，USB技術必將得到更廣泛的應用。
參考文獻
[1]? 覃章健，黃洪全，葛良全.基于USB2.0的實時數據采集系統研究.中國測試技術，2005，31（5）.
[2] ?美國美信公司. MAX-1189 DataSheet.pdf. 2004.1.
[3] ?EZ-USB FX2 Manual technical reference. Cypress Semiconductor, 2002.1.
[4] ?南京沁恒電子有限公司.USB總線接口芯片CH375[DB/OL].http://www.winchiphead.com/product/ch375detail.htm,
???? 2005-05-10.
[5] ?鄧鵬飛，李小波,張劍云.USB2.0在DSP與計算機通信中的應用[J].計算機數字與工程[J],2005,(6):99-103.
[6] ?曹軍軍，陳小勤.基于USB2.0的數據采集卡的設計與實現[J],儀器與儀表，2006,（1）：37-38.
[7] ?陶峻，潘亞濤，陳健.基于DSP的USB傳輸系統的實現[J].電子技術,2002,(3):56-59.