基于DSP和USB的高速數據采集與處理系統設計

1 原理概述
　　
基于DSP和USB的高速數據采集與處理系統的原理框圖如圖1所示。系統上電后，DSP、FPGA分別由各自的FLASH加載程序，采集與處理系統開始運行。在A/D變換器完成轉換后由FPGA向DSP發送中斷0申請信號，DSP從A/D FIFO RAM中讀取數據，并進行小波變換去噪處理，處理結束后DSP向USB控制器發送中斷申請信號，USB控制器將處理后的數據發送至PC機，由主機應用程序顯示數據。主機應用程序還可以對整個采集、處理系統進行控制，主要設定三個功能：接收處理后的數據，接收處理前的數據，設定A/D的采樣頻率和采樣點數。

2 系統硬件設計
　　
系統硬件設計主要分為三大部分：DSP部分、FPGA部分、USB部分。

2.1 DSP部分設計

本系統使用的DSP芯片為TI（德州儀器）公司的TMS320VC33，它是TI公司推出的性價比極高的32位浮點型數字信號處理芯片，是目前在國內外使用最為廣泛的浮點DSP之一。

TMS320VC33具有以下特點：哈佛結構；流水線操作；專用的硬件乘法器；特殊的DSP指令；快速的指令周期。另外，TMS320VC33還具有強大的浮點運算能力，運算速度可達　　150MFLOPS（每秒百萬次浮點運算），處理能力達到75MIPS（每秒百萬次指令周期）。而且，它還采用3.3V I/O電壓和1.8V處理器核電壓使功耗降低到200mW。
　　
DSP部分的電路設計主要是為TMS320VC33的外圍電路設計。TMS320VC33的STRB0和引腳分別連接存儲器的片選和使能引腳，實現程序/數據存儲器的擴展；引腳接到高電平，INT2引腳接到低電平，實現上電后程序自加載；由TMS、TDI、TDO、TCK、、EMU0、EMU1等引腳組成程序下載口，以方便DSP程序調試。

2.2 FPGA部分設計

　　因為本系統的邏輯比較復雜，為了有效地減少硬件的體積、提高硬件系統的可靠性，這里把所有的邏輯控制電路、各種存儲器/寄存器的地址譯碼電路都用一塊超大規模現場可編程邏輯門陣列（FPGA）XC3090來實現。邏輯控制電路包括：命令寄存器、采樣點數/采樣頻率設定寄存器、中斷申請信號發生器、將A/D結果寫入FIFO RAM的控制電路、USB及其FIFO和A/D FIFO狀態檢測電路。

2.3 USB部分設計

　　TMS320VC33與USB控制器AN2136SC之間通過雙向FIFO 交換數據,握手信號使用AN2136SC的PC口。當USB為接收緩沖器時,DSP讀,AN2136SC寫;當USB為發送緩沖器時,DSP寫,AN2136SC讀。PC(0)～(3)用作二者的讀寫通道,方向可編程確定; PC(4)用于TMS320VC33向AN2136SC申請中斷;PC(5)用于AN2136SC復位USB接收緩沖器;PC(6)用于USB接收器滿標志,若接收器已滿則禁止AN2136進一步對USB接收緩沖器寫入;PC(7)用于USB發送緩沖器空標志,若緩沖器已空則禁止AN2136SC進一步對USB發送緩沖器讀出。

3 系統軟件設計

　　系統軟件主要包括五大部分：DSP程序（用于A/D采樣控制、數據處理、DSP與USB總線之間的信息交換）、USB總線驅動程序、USB固件程序（用于PC機與DSP之間的數據交換與處理）、主機應用程序、FPGA中對地址的譯碼程序和各個寄存器的實現程序。

3.1 DSP程序

　　DSP程序首先對DSP進行初始化（中斷初始化、片外選通信號初始化、設定系統默認的采樣點數/采樣頻率等），然后等待中斷（中斷0的程序主要用于對A/D數據的讀取和處理，并向主機發送處理后的數據；中斷1的程序主要用于分析主機的命令，針對主機的命令設定系統的采樣點數/采樣頻率，并發送主機需要的數據）。程序框圖如圖2所示。

3.2 USB固件程序

　　固件程序代碼由USB芯片集成的加強型8051單片機處理。當EZ-USB設備連接到USB口時，主機進行總線枚舉，首先根據設備ID使用系統程序將固件下載到芯片內部，然后進行重枚舉，固件作為用戶的功能設備開始執行。CYPRESS公司提供的固件程序框架，用來完成控制傳輸工作和大部分的數據傳輸工作。本接口電路的固件程序就是基于此固件框架開發的，并使用Keil C進行編譯。USB接收的DSP中斷程序如下：
　　void　 ISR_IDT(void) interrupt INT0_VECT
　　{FASTXFR = 0x40; 　　　　　　　　使能快速傳模式
　　AUTOPTRL=LSB((WORD)IN4BUF); 　　將自動指針指向端點4緩沖器
　　AUTOPTRH=MSB((WORD)IN4BUF);
　　for(i=0;i64;i++)
　　{AUTODATA=ACC}; 　　　　　　　　 接收數據
　　FASTXFR=0x0;
　　IN4BC=64;　　　　　　　　　　　　發送數據大小
　　EZUSB_IRQ_CLEAR();
　　IN07IRQ=bmEP4; 　　　　　　　　　使能端點4}

3.3 主機應用程序

　　為了實現與驅動程序的通信，應用程序首先創建一個事件和一個線程，然后將事件句柄傳遞給WDM，用線程等待WDM發送的事件消息，接收到事件消息后，就讀取驅動程序的數據，顯示數據。

　　在Windows中，Win32應用程序調用的API函數有五個：CreateFile()、ReadFile()、WriteFile()、DeviceIoControl()和CloseHandle()。

　　應用程序為打開一個WDM設備驅動程序，使用CreateFile()函數。它的第一個參數是一個符號鏈接名。如果用DriverWorks創建一個WDM驅動程序，通常會用類KUnitizedName生成一個設備符號鏈接名。這個名字的后面有一個數字，一般是一個0。例如，若符號鏈接名為L“USBDevice”，則傳遞給CreateFile()的是“.USBDevice0”。

　　一旦應用程序獲得設備的有效句柄，它就能夠調用Win32函數，這將產生對應于此設備對象的相應的IRP，發送給驅動程序，完成相應功能。

　　有關代碼如下：

　　HANDLE hDevice hDevice= CreateFile(“.USBDe-vice0”,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, NULL,OPEN_EXISTING,
FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,NULL);　　　　　　　　　　//打開設備句柄
　　ReadFile(hDevice,buf,n,nRead,NULL);　　　　//讀操作

4 試驗結果

　　本系統軟硬件調試均已成功，圖3為CCD在半遮擋情況下原始信號的波形。本系統還可以采集和處理圖像信號（例如CCD面陣信號）。

　　本文提出了一種基于DSP和USB的高速數據采集與處理系統，詳細地介紹了系統的硬件和軟件設計方法。經使用驗證，系統很好地實現了對CCD信號的采集和處理。利用一塊超大規模現場可編程邏輯門陣列，減小了PCB板的制作空間并且大大地增加了系統的可靠性；使用DSP處理器，提高了數據的傳輸速度和處理速度，進而保證了系統的實時性；由USB主控制器完成與PC機的通信，具有熱插拔、易于使用、傳輸速率高等特點；而且整個系統構成合理、實現方法簡單、具有實用價值。

參考文獻

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