高速數據采集設計管理論文

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【摘要】本文主要闡述了USB2.0接口和DSP構成的高速數據采集系統的工作原理、結構組成及其設計與實現。為達到設計的要求，詳細地對其系統組成器件的選擇及其特性和硬件的連接作了說明。重點介紹了USB技術及其軟件設計。在這部分中，介紹了講述了相關的主機接口，這類接口簡化了主機內部客戶軟件與設備應用之間的通信。本章所涉及的具體實例部分只是作為例子，以闡述主機系統響應USB設備請求的行為。USB主機可以提供不同的軟件系統實現方法，完成相應的主機操作。系統軟件設計過程中常見故障的分析。

【關鍵詞】USB2.0接口DSP高速數據采集系統

TheAnalysisandDesignThatUSB2.0ConnectstheHigh-speedDataThatandDSPDonstitutetoCollecttheSystem

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

KeywordsUSB2.0interfacesDSPThehigh-speeddatacollectsthesystem

一緒言

隨著數字信號處理理論和計算機的不斷發展，現代工業生產和科學技術研究都需要借助于數字處理方法。進行數字處理的先決條件是將所研究的對象進行數字化，因此數據采集與處理技術日益得到重視。在圖像處理、瞬態信號檢測、軟件無線電等一些領域，更是要求高速度、高精度、高實時性的數據采集與處理技術。現在的高速數據采集處理卡一般采用高性能數字信號處理器（DSP）和高速總線技術的框架結構。DSP用于完成計算量巨大的實時處理算法，高速總線技術則完成處理結果或者采樣數據的快速傳輸。DSP主要采用TI或者ADI公司的產品，高速總線可以采用ISA、PCI、USB等總線技術。目前，使用比較廣泛的是PCI總線，雖然其有很多優點，但是存在如下嚴重缺陷：易受機箱內環境的影響，受計算機插槽數量的地址、中斷資源的限制而不可能掛接很多設備等。USB總線由于具有安裝方便、傳輸速率高、易擴展等優點，其中USB2.0標準有著高達4800bps的傳輸速率，已經逐漸成為計算機接口的主流。本設計是一個采用USB2.0接口和高性能DSP的高速數據采集處理系統，主要是為光纖通信中密集波分復用系統的波長檢測與調整所設計的，也可以應用于像圖像處理、雷達信號處理等相關領域。

二系統原理及器件選用

（一）系統原理及簡介

整個高速數據采集處理系統的硬件構成為：高速ADC、高速大容量數據緩沖存儲器、高性能DSP和USB2.0接口。系統組成的原理框圖如圖2-1所示。

外界輸入信號經A/D采樣后，采集到的數據先保存在高速數據緩存中，數據采集結束后DSP從緩存中讀取數據開始信號處理。信號處理的算法已編成程序保存在外部的Flash芯片上，供DSP上電讀程序到其內部RAM單元，全速運行程序。信號處理后的數據通過USB2.0接口依次傳送到主機方，把數據數值存儲在PC機內。

（二）系統組成器件的選擇

高性能DSP采用TI公司的TMS320C6000系列定點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機接口采用USB2.0，理論最大數據傳輸速率為480Mbps，器件選用Cypress公司EZ-USBFX2系列中的CY7C68013；數據緩沖采用IDT公司的高速大容量FIFO器件IDT72V2113；程序存儲在Flash存儲器中，器件選用SST291E010。下面逐一介紹各個器件的主要特性。

1．高速A/D轉換器

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

2．高速緩存FIFO

高速緩存是系統中的一個關鍵環節。IDT72V2113是由美國IDT公司生產的高速大容量先進先出存儲器件（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置成512K×9bit或者256K×18bit兩種方式；IDT72V2113可以設置標準工作模式或者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志信號，非常方便進行容量擴展。

大容量數據存儲是高速數據采集系統迫切需要解決的問題，例如，一個20M采樣速率、8位的ADC，在一秒鐘的時間內所采集到的數據量是20M字節，雖然IDT72V2113的單片容量是512K×9bit，可以很好的滿足一般的數據采集系統的需要，但是，對于高速、無間隔的數據采集系統來說，一片的容量是不夠的。IDT72V2113便于擴展的特性可以很容易地解決這個問題，而且不需要外部控制電路，連接簡單、可靠，很方便電路設計及軟件開發。其容量擴展可以分為字長擴展和深度擴展。

IDT72V2113的字長擴展比較簡單，只要把各個芯片的控制信號連在一起就可以實現。這里需要注意的是EF/IR和FF/OR兩個引腳，在標準模式下這兩個管腳的功能為EF和FF，把各個芯片這兩個管腳分別相與；在FWFT模式下，這兩個管腳功能為IR和OR，把各個芯片的這兩個管腳分別相或，這樣就可以確保同步讀寫每一個IDT72V213。

IDT72V2113的深度擴展方式僅適用于FWFT工作模式。其中，傳輸時鐘可以選擇寫時鐘和讀時鐘中頻率較高的那個時鐘信號。工作原理為：當有數據寫入第一片FIFO中后，其輸出允許信號（OR）低有效，從而使第二片FIFO的寫使能信號有效；同時，只要第二片FIFO中仍有空間，它的輸入允許信號（IR）低有效，從而使第一片FIFO的讀使能信號（REN）有效，這樣，在傳輸時鐘的驅動下，數據由第一片FIFO向第二片FIFO傳送，直到第二片FIFO寫滿為止，以后的數據將儲存在第一片FIFO中。通過深度擴展，兩片IDT72V2113可形成容量為1M×9bit的數據緩沖。

IDT72V2113不僅可以通過字長擴展和深度擴展來實現容量擴展，而且可以將兩者結合起來，進行更大容量的擴展，如用四片IDT72V2113擴展成容量為1M18bit的數據緩沖。

3．高性能DSP處理器

DSP是整個采集系統的核心。TMS320C6203B是TI公司高性能數字信號處理器TMS320C6000系列的一種，采用修正的哈佛總線結構，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；內部有8個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；內部集成了豐富的外圍設備接口，如外部存儲器接口（EMIF）、外部擴展總線（XB）、多通道緩沖串口（McBSPS）和主機接口（HPI），與外部存儲器、協處理器、主機以及串行設備的連接非常方便。

TMS320C6203B的DMA控制器有以下特點：共有4個通道，32位尋址能力，可以對存儲器映射空間的任何一個區域進行訪問；傳送數據支持8位、16位和32位字長；靈活的地址產生方式，支持多幀傳輸方式；每次傳輸完畢后，可以進行DMA通道的自動初始化；傳輸操作可以由選擇的同步事件觸發。DMA寄存器的設置包括以下幾個寄存器：通道的主、副控制寄存器，通道的源地址、目的地址寄存器，通道傳輸計數寄存器，DMA全局地址寄存器，DMA全局索引寄存器，DMA全局計數重載寄存器。

TMS320C6203B的外部擴展總線（XB）寬度為32位，可以連接外部異步設備、異步或同步FIFO、PCI控制器和其他一些外部控制器。外部擴展總線由I/O總線和主機口接口組成。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模式與標準同步FIFO可以實現無縫連接，可以同時無縫實現四個FIFO寫借口或者實現三個FIFO寫接口及一個FIFO讀接口。通過無縫連接實現FIFO讀接口，FIFO必須連接到XCE3空間。

4．USB2.0接口

USB（UniversalSerialBus）總線是Intel、NEC、Microsoft、IBM等公司聯合提出的一種新的串行總線接口規范。為了適應高速傳輸的需要，2000年4月，這些公司在原1.1協議的基礎上制訂了USB2.0傳輸協議，已超過了目前IEEE1394接口400Mbps的傳輸速度，達到了480Mbps。USB總線使用簡單，支持即插即用PnP（PlugAndPlay），一臺主機可串連127個USB設備。設備與主機之間通過輕便、柔性好的USB線纜連接，最長可達5m，使設備具有移動性，可自由掛接在具有USB接口的運行在Windows98/2000/XP平臺的PC機上。USB總線已被越來越多的標準外設和用戶自定義外設所使用，如鼠標、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標準的USB控制器之一，是一個全面集成的解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短了開發時間。

上電后，ADS5422一直工作，采樣產生的數據是否存儲到IDT72V2113中，由TMS320C6203B的DX0引腳狀態來決定。TMS320C6203B進行初始化，外部擴展總線的XCE3設置為同步FIFO讀操作模式。DMA通道0配置為每次傳輸1幀，每幀1024個半字，同步事件設置為外部中斷4，觸發極性為高電平，初始化定時器0，定時間隔為22ms。當外部同步信號到來時，啟動定時器0，手動啟動DMA通道0，同時設置DX0為低電平。ADS5422采樣產生的數據開始寫入IDT72V2113，當定時器0中斷到來時，設置DX0為高電平，關閉IDT72V2113的寫使能，采樣數據不再存儲到IDT72V2113內。隨著數據不斷寫入IDT72V2113，當其內部的數據量大于1023個半字時，IDT72V2113的將空標志信號（PAE）由低電平變為高電平，使得TMS320C6203B的外部中斷信號有效，從而觸發DMA傳輸，TMS320C6203B的DMA通道0通過外部擴展總線（XB）讀取1024個半字的數據，存儲于內部RAM中，傳輸結束后向TMS320C6203B發送中斷，通知TMS320C6203B處理數據。待其處理完數據后，通過USB2.0接口發送處理結果，然后重新啟動DMA通道0，進行下一次DMA傳輸。如此循環，直到處理完所有數據。當下一個外部同步信號到來時，進行下一輪數據采集處理過程。