基于DSP的 USB 口數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

摘要：介紹了一種基于DSP的USB口振動(dòng)、噪聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)構(gòu)造方案，并對(duì)其各模塊進(jìn)行了分析，該方案完全實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)編程和配置。針對(duì)USB模塊詳細(xì)介紹了CYPRESS公司的EZUSB芯片，說明了其固件（Firmware）和驅(qū)動(dòng)程序框架。

    關(guān)鍵詞：DSP USB FPGA CPLD Firmware 驅(qū)動(dòng)程序

隨著DSP芯片功能越來越強(qiáng)，速度越來越快，性價(jià)比的不斷提高以及開發(fā)工具的日趨完善，廣泛用于通信、雷達(dá)、聲納、遙感、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、控制、精密機(jī)械、語音和圖像處理等領(lǐng)域。作為計(jì)算機(jī)接口之一的USB（Universal Serial Bus）口具有勢(shì)插拔、速度快（包括低、中、高模式）和外設(shè)容量大（理論上可掛接127個(gè)設(shè)備）的特性，使其成為PC機(jī)的外圍設(shè)備擴(kuò)展中應(yīng)用日益廣泛的接口標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DSP的USB口數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)的DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)算處理，處理結(jié)果通過USB口送計(jì)算機(jī)顯示分析，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)圖中，CPLD和FPGA實(shí)現(xiàn)模塊接口，包括串并轉(zhuǎn)換、8位和32位數(shù)據(jù)總線間的轉(zhuǎn)換、SRAM等功能。采樣結(jié)果經(jīng)過CPLD送至DSP運(yùn)算處理（FFT變換、相關(guān)分析、功率譜分析等）后，由FPGA和USB接口送至主控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和顯示。計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序易于實(shí)現(xiàn)豐富的圖形界面，具有良好的人機(jī)接口。

1 模數(shù)模塊

本系統(tǒng)主要用于振動(dòng)信號(hào)和噪聲分析，(范文先生網(wǎng)www.qkfawen.com收集整理)要求采樣精度高，采樣頻率不超過100kHz。根據(jù)要求選用CRYSTAL公司的CS5396。該芯片原本用于立體聲采樣，基于∑-Δ結(jié)構(gòu)，采樣精度高，24位分辨率，120dB的動(dòng)態(tài)范圍；采樣頻率32kHz、44.1kHz、48kHz、96kHz可選；內(nèi)部集成采樣保持器、模擬低通濾波器、數(shù)字濾波器，同時(shí)還具有時(shí)采樣功能；兩路同時(shí)采樣，串行輸出，串行數(shù)據(jù)由CPLD轉(zhuǎn)換成24位并行數(shù)據(jù)；由于該芯片量程是4V，差分輸入，所以模擬部分只需再加上簡(jiǎn)單量程放大電路即可。這樣模擬電路十分簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)、精度高。

2 DSP處理器

選擇DSP處理器時(shí)主要考慮其運(yùn)算速度、總線寬度和性價(jià)比。本系統(tǒng)采樣結(jié)構(gòu)24位，最好選用32位DSP；系統(tǒng)要進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)分析、模態(tài)分析等，要求有較高運(yùn)算速度，所以選用TI公司的32位浮點(diǎn)DSP——TMS320VC33。該芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)，6級(jí)流水線操作，指令執(zhí)行周期7ns，外設(shè)包括一個(gè)DMA控制器和一個(gè)緩沖串口。

N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT變換約做2N×Log2N次實(shí)數(shù)乘法運(yùn)算和3N×Log2N實(shí)時(shí)加法運(yùn)算。TMS320VC33的乘法、加法都是單周期指令，取N=1024，不計(jì)內(nèi)存訪問和其它時(shí)間，則一次FFT所需時(shí)間為：10×5120×17ns約0.9ms。而按96KSPS的采樣頻率計(jì)算，1024點(diǎn)的采樣時(shí)間約10ms，可見該DSP速度足以滿足要求。

該DSP啟動(dòng)模式可選，上電后執(zhí)行駐留在低地址空間的BOOTLOADER；然后根據(jù)4個(gè)中斷輸入信號(hào)的狀態(tài)判斷啟動(dòng)模式，可以從RAM、ROM或串行口啟動(dòng)。本系統(tǒng)選擇串行口方式。這樣，DSP程序可以直接從PC下載送至DSP接口，做到在系統(tǒng)調(diào)試，具有極大的靈活性。

3 USB接口

USB協(xié)議的實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的思想，是一種共享式的總線，在總線上數(shù)據(jù)以包（Packet）的形式發(fā)送。USB的數(shù)據(jù)傳送有4種模式：塊傳輸（Bulk Transfers）、中斷傳輸（Interrupt Transfers）、同步傳輸（Isochronous Transfers）、控制傳輸（Control Transfers）。當(dāng)需要快速傳輸大批量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時(shí)，一般采用塊傳輸模式；當(dāng)傳輸實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)時(shí)，采用中斷傳輸模式。

當(dāng)USB設(shè)備插入計(jì)算機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)和USB設(shè)備之間產(chǎn)生一個(gè)枚舉過程。計(jì)算機(jī)檢測(cè)到有設(shè)備插入，自動(dòng)發(fā)出查詢請(qǐng)求；USB設(shè)備回應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求，送出設(shè)備的Verdor ID和Product ID；計(jì)算機(jī)根據(jù)這兩個(gè)ID裝載相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，完成枚舉過程。

由于USB協(xié)議非常復(fù)雜，開發(fā)者不可能在底層基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。目前，市場(chǎng)上對(duì)USB協(xié)議進(jìn)行封裝的接口芯片，如：National Semiconductor公司的USBN9602、Plilips公司的PDIUSBD12等。本系統(tǒng)選用CYPRESS公司的帶單片機(jī)內(nèi)核的EZ-USB系列的AN2131QC.該芯片遵從USB1.0規(guī)范（12Mbps），將8051單片機(jī)內(nèi)核、智能USB接口引擎、USB收發(fā)模塊、存儲(chǔ)器、串行口等集成一起，從而減少芯片接口時(shí)序。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2（虛線內(nèi)是芯片部分）。

EZ-USB的8051代碼（Firmware）可以固化在ROM內(nèi)；更好的方案是通過USB口從主機(jī)下載到內(nèi)部RAM，這樣，易于修改、調(diào)試和更新。之所以能下載代碼是因?yàn)樾酒�一上電完全在硬件上自�?dòng)完成枚舉過程，不需要Firmware。完成枚舉后便可作為一個(gè)USB設(shè)備（叫做缺省USB設(shè)備）與計(jì)算機(jī)通訊，此時(shí)即可進(jìn)行Firmware下載。下載完后，8051內(nèi)核脫離RESET狀態(tài)開始執(zhí)行代碼�？梢酝ㄟ^Firmware對(duì)USB設(shè)備重新配置，這個(gè)重新配置過程叫做再枚舉。

在EZ-USB中，缺省USB設(shè)備的接口中包括14個(gè)Endpoints，如表1所示。

表1 缺省USB端點(diǎn)（Endpoint）

Endpoint Type Alternate Setting 0 1 2 MaxPacket Size(bytes) 0 CTL 0 64 64 1IN INT 0 16 64 2IN BULK 0 64 64 2OUT BULK 0 64 64 4IN BULK 0 64 64 4OUT BULK 0 64 64 6IN BULK 0 64 64 6OUT BULK 0 64 64 8IN ISO 0 16 256 8OUT ISO 0 16 16 9IN ISO 0 16 16 9OUT ISO 0 16 16 10IN ISO 0 16 16 10OUT ISO 0 16 16

計(jì)算機(jī)與USB設(shè)備的數(shù)據(jù)通信主要包括兩個(gè)方面：一是讀取采樣數(shù)據(jù)；二是給USB設(shè)備發(fā)送控制命令。發(fā)送控制命令先發(fā)送一個(gè)命令包（消息），然后根據(jù)情況發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)或從設(shè)備讀取響應(yīng)數(shù)據(jù)。因此，根據(jù)EZ-USB芯片的功能，直接使用缺省配置中的6個(gè)Endpoint。

Endpoit OUT2 BULK：用來發(fā)送控制命令包。

Endpoint IN2 BULK：接收從USB設(shè)備發(fā)來的DSP消息。

Endpoint IN4 BULK：用來從USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，如讀取采樣數(shù)據(jù)、配置參數(shù)等。

Endpoint OUT4 BULK：用來向USB設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，如下載8051程序、下載FPGA程序等。

Endpoint OUT6 BULK：作輔助判斷用，當(dāng)PC傳送完大量數(shù)據(jù)至USB設(shè)備時(shí)，向該端口寫任意數(shù)據(jù)以起到通知USB設(shè)備的作用。

Endpoint IN1 INT：用來從USB設(shè)備讀取響應(yīng)信號(hào)，如下載FPGA程序是否成功的標(biāo)志等。

在缺省配置基礎(chǔ)上可以編寫適合需要的代碼，如果對(duì)8051編程經(jīng)驗(yàn)豐富的話，完全可以在不需要調(diào)試工具的情況下編寫Firmware。

本系統(tǒng)Firmware結(jié)構(gòu)建立在對(duì)消息隊(duì)列不斷服務(wù)基礎(chǔ)上，即構(gòu)建一個(gè)消息隊(duì)列，當(dāng)接收到任何一方（DSP或計(jì)算機(jī)）的消息時(shí)，將其放入消息隊(duì)列。消息的接收是通過中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)處理完一個(gè)消息時(shí)，從消息隊(duì)列取出下一個(gè)消息進(jìn)行處理。這種軟件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，思路清晰，對(duì)調(diào)試十分有利。

    USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基于WDM。WDM型驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核程序，與標(biāo)準(zhǔn)的Win32用戶態(tài)程序不同。采用了分層處理的方法。通過它，用戶不需要直接與硬件打它道（在USB驅(qū)動(dòng)程序中尤為明顯），只需通過下層驅(qū)動(dòng)程序提供的接口號(hào)訪問硬件。因此，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不必具體對(duì)硬件編程，所有的USB命令、讀寫操作通過總線驅(qū)動(dòng)程序轉(zhuǎn)給USB設(shè)備。但是，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須定義與外部設(shè)備的通訊接口和通訊的數(shù)據(jù)格式，也必須定義與應(yīng)用程序的接口。

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序是在Compuware Numega Driver-Works的基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο笳Z言C++開發(fā)的。Driver-Works可以很快構(gòu)造出驅(qū)動(dòng)程序的框架。主要構(gòu)造了兩個(gè)類：Class USBDAC和class USBDACDevice。Class USBDAC繼承了class Kdriver，負(fù)責(zé)裝載驅(qū)動(dòng)程序和創(chuàng)建功能設(shè)備對(duì)象時(shí)要做的一些操作。Class USBDACDevice繼承了class KpnpDevice，是驅(qū)動(dòng)程序的主要部分，負(fù)責(zé)設(shè)備啟動(dòng)、停止的操作以及與設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。API函數(shù)調(diào)用和CreateFile ()、ReadFile ()、WriteFile ()、DeviceIO-Control ()、CloseFile（）等的實(shí)現(xiàn)也在class USBDACDevice中完成。

Class USBDAC的定義如下：

class USBDAC : public Kdriver

{

SAFE_DESTRUCTORS

public：

/*Driver Entry ()，在系統(tǒng)引導(dǎo)或I/O管理器裝入驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，調(diào)用這個(gè)例程。執(zhí)行大量的初始化函數(shù)，包括建立到其它驅(qū)動(dòng)程序的指針、查找和定位由驅(qū)動(dòng)程序使用的任何硬件資源等，不過，這部分工作大多由基類Kdriver完成。*/

virtual NTSTATUS

DriverEntry(PUNICODE_STRING RegistryPath);

/*AddDevice(),創(chuàng)建一個(gè)Device對(duì)象。調(diào)用其構(gòu)造函數(shù)對(duì)設(shè)備初始化，創(chuàng)建設(shè)備的名稱等。*/

virtual NTSTATUS

AddDevice(PDEVICE_OBJECT Pdo);

Int m_Unit;

};

Class USBDACDevice的定義如下：

Class USBDACDevice : public KpnpDevice

{

// Constructors

public:

SAFE_DESTRUCTORS

USBDACDevice(PDEVICE_OBJECT Pdo,ULONG Unit);

～USBDACDevice ()；

// Member Functions

public:

…

//添加自己的成員函數(shù)

NTSTATUS USBDAC_GetACK(int &);

NTSTATUS USBDAC_StartADConversion(void);

NTSTATUS USBDAC_StopADConversion(void)；

NTSTATUS USBDAC_DownloadFPGA(KIrp)；

NTSTATUS USBDAC_Download8051(KIrp);

NTSTATUS USBDAC_SetChannelParameter（PUCHAR，ULONG，int）；

…

}；

4 FPGA

FPGA模塊主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DSP間的數(shù)據(jù)緩沖、8位數(shù)據(jù)線與32位數(shù)據(jù)線間的轉(zhuǎn)換、單片機(jī)同步串口和DSP緩沖串口的切換。要求FPGA能實(shí)現(xiàn)豐富的內(nèi)部RAM和準(zhǔn)確的時(shí)鐘控制。根據(jù)需要選用XILINX公司的XCV50TQ144。該器件采用SRAM 查找表結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)內(nèi)可再編程（ISP）和運(yùn)行間可再配置等特性。系統(tǒng)初始化時(shí)由USB口下載FPGA程序，通過單片機(jī)串口對(duì)其進(jìn)行線配置。

本系統(tǒng)可廣泛用于振動(dòng)、噪聲測(cè)試分析�？梢栽赪INDOWS95/98/NT下開發(fā)各類動(dòng)態(tài)測(cè)試與信號(hào)處理的應(yīng)用程序，根據(jù)需要加載已經(jīng)編制的各種DSP算法，使其具有信號(hào)分析、模態(tài)分析、聲學(xué)分析、環(huán)境測(cè)試、長(zhǎng)時(shí)間記錄等功能

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