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[導(dǎo)讀]DSP(數(shù)字信號處理器)芯片TMS320VC5402具有高性能、低功耗、資源多等特點,其獨特的6總線哈佛結(jié)構(gòu),使其能夠6條流水線同時工作,工作頻率達到100 MHz。具有2個緩沖串口BSP、8位并行EHPI(增強主機接口)、可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器等,可以滿足數(shù)據(jù)處理控制的要求。 針對此應(yīng)用系統(tǒng)通信接口數(shù)據(jù)量大、對速度要求高、實時控制的特點,本項目采用高速USB(通用串行總線)接口實現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)處理與傳輸。USB是一種新型接口技術(shù),是計算機和外圍設(shè)備接口通信的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它支持熱插拔、即插即用,連接簡單。本文將介紹VC5402的GPI()(I/0)資源配置及CY7C68013與外設(shè)的從(Slave)FIF0接口方式。

0 引言

DSP(數(shù)字信號處理器)芯片TMS320VC5402具有高性能、低功耗、資源多等特點,其獨特的6總線哈佛結(jié)構(gòu),使其能夠6條流水線同時工作,工作頻率達到100 MHz。具有2個緩沖串口BSP、8位并行EHPI(增強主機接口)、可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器等,可以滿足數(shù)據(jù)處理控制的要求。

針對此應(yīng)用系統(tǒng)通信接口數(shù)據(jù)量大、對速度要求高、實時控制的特點,本項目采用高速USB(通用串行總線)接口實現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)處理與傳輸。USB是一種新型接口技術(shù),是計算機和外圍設(shè)備接口通信的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它支持熱插拔、即插即用,連接簡單。本文將介紹VC5402的GPI()(I/0)資源配置及CY7C68013與外設(shè)的從(Slave)FIF0接口方式。

1系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)以TI公司的TMS320VC5402 DsP為主控制器,主要分為神經(jīng)信號處理電路、神經(jīng)刺激電路和信號傳輸電路3部分。系統(tǒng)首先根據(jù)相應(yīng)的控制信號選通神經(jīng)微電極陣列的某路或多路測點,發(fā)出相應(yīng)的刺激信號,并在對腦細(xì)胞進行電刺激的同時記錄細(xì)胞反應(yīng),并將采集到的神經(jīng)信號數(shù)據(jù)通過USB口傳送到上位機,進行病理分析,從而實現(xiàn)了對電刺激的控制和腦信號的高速實時傳輸和處理。該系統(tǒng)可根據(jù)所建的腦電信號數(shù)據(jù)庫,模擬產(chǎn)生與運動相應(yīng)的神經(jīng)信號,分別對不同的腦區(qū)域進行電刺激,達到治療的目的。系統(tǒng)

方案如圖l所示。

TMS320VC5402除了使用VC54x系列中常用的GPIO外,還為用戶提供了多個可選擇的GPIO:HPI一8和McBSP。可與各類存儲器直接接口。

USB2.0控制器選擇Cypress公司的FX2系列產(chǎn)品cY7C68013。EZUSB FX2是Cypress公司生產(chǎn)的世界上第1個USB2.0的集成微控制器,包括1個805l處理器、1個SIE(串行接口引擎)、1個USB收發(fā)器、8.5 kB片上RAM、4 kB FIF0存儲器和1個GPIF(通用可編程接口),總線標(biāo)準(zhǔn)傳輸速度達480 Mbit/s,足夠滿足高速外設(shè)的速率要求。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 TMs320VC5402 I/o資源配置

由于本系統(tǒng)含有多個處理模塊,而且在同一時刻,神經(jīng)微電極陣列要選通多路同時進行神經(jīng)電刺激、信號采集及USB傳輸。DSP芯片的GPIO資源不夠用,需要擴展I/0以滿足需求。因此,本項目將EHPI配置為8位通用I/O,用做數(shù)據(jù)線與cY7C68013通信。將McBSP配置為通用I//0,用做CY7C68013的控制線。

2.1。EHPI-8用做GPIO

FMS320VC5402的8位EHPI將DSP設(shè)置為從模式來完成與主處理機之間的通信任務(wù),使得主機和DSP均可以訪問DSP上存儲器。但HPI.8的8位雙向數(shù)據(jù)總線也可以用做GPIO引腳。這個功能僅當(dāng)HPI-8接口禁止時有效,即當(dāng)HPIENA引腳在復(fù)位過程中被置為低電平時有效。可通過GPIOCR(通用輸入/輸出控制寄存器)和GPIOSR(通用輸入/輸出狀態(tài)寄存器)這兩個存儲器映射寄存器用來控制HPI.8數(shù)據(jù)引腳的GPIO功能。

GPIOCR的方向位(DIRx)用來設(shè)置HD0~HD7是輸入還是輸出。如圖3所示。定時器1輸出位TOUTl只對那些有兩個定時器的器件才有效,它控制定時器l輸出到HINT引腳上。當(dāng)系統(tǒng)只有1個定時器時,該位被保留。當(dāng)HPI一8接口使用時,TOuTl位和DIRx為被強迫置零,并且通用輸入/輸出引腳只能處于輸入模式。

GPIO引腳(HDx,x=0:7)的狀態(tài)可以用GPIOSR中的位來監(jiān)控。如圖4所示。當(dāng)一個HDx引腳被設(shè)定為輸入端時(通過對GPIOCR中的DIRx位寫入一個"O"),GPIOSR中對應(yīng)的位可以被讀取以確定這個引腳上探測到的邏輯值。同樣,當(dāng)一個HDx引腳被設(shè)定為一個輸出端時,驅(qū)動到這個引腳上的邏輯值被寫人GPIOCR中的相應(yīng)位。

要把HPI一8的數(shù)據(jù)引腳當(dāng)做GPIO引腳使用,首先要對這些引腳進行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置,然后可以通過讀寫GPIOSR來監(jiān)控或操作這些引腳。

2.2 McBSP用做GPIO

TMS320VC5402是54x系列中最早引入McBSP(多通道緩沖串行口)的芯片。該串行口在以下兩個條件成立時(串口引腳CLKX、FSX、DX、CLKR、FSR和DR可以被用作GPIO引腳,而不作為串口引腳):

a)串口的相關(guān)部分(發(fā)送端或接收端)處于復(fù)位狀態(tài),即SPCR[1,2]中

b)串口的相關(guān)部分的GPIO引腳功能被啟用,即PCR中的(R/X)IOEN=l。

PcR(引腳控制器)說明了將McBSP的引腳配置成通用I/0引腳的位,如圖5所示。

表l列出了詳細(xì)的配置情況。

以Fs(R/x)為例,F(xiàn)s(R/x)M=0設(shè)置該引腳為輸入,而Fs(R/x)M=l則設(shè)置該引腳為輸出。當(dāng)FS(R/x)配置為輸出時,驅(qū)動到FS(R/x)引腳上的值是存儲在Fs(R/x)P中的值。如果Fs(R/x)配置為輸入,那么Fs(R/x)P變?yōu)橹蛔x位,它反映Fs(R/x)信號的狀態(tài)。類似地,CLK(R/x)引腳也可由CLK(R/X)M和CLK(R/x)P如此配置。

DX總是用做輸出,當(dāng)發(fā)送端被選做GPIO引腳時,PCR中DX-STA3、位的值被驅(qū)動到DX上;DR總是作為輸入,并且它的值保存在PCR的DR.STAT位中;因為cLXS總足作為McBSP的輸入并且影響發(fā)送和接收操作,所以若要配置CIXS為通用的輸入引腳,則發(fā)送端和接收端必須都處于復(fù)位狀態(tài),且保證(R/x)IOEN=l。

3 CY7C68013與TMs320VCl5402硬件連接

CY7C68013與DSP的連接方法有主/從兩種接口方式:可編程接口GPIF和從FIFO??删幊探涌贕PIF是主機方式,可以由軟件編寫讀寫控制時序,靈活方便,幾乎可以和所有8/16 bit接口的控制器、存儲器和總線進行無縫連接。

從FIFO方式是從機方式,外部控制器可以像對待普通FIFO一樣對FX2內(nèi)的多個緩沖區(qū)進行讀寫。從FIFO接口也可以靈活配置以適應(yīng)不同的需要。

本方案采用從FIFO方式,異步讀寫,屬從機方式。圖6為cY7C68013與rMS320C5402硬件連接圖。



FLAGA、FLAGB和l FIAGC是C68013內(nèi)部FIFO的狀態(tài)標(biāo)志,VC5402由已配置為通用I/O口的McB-sP口來獲得FIFO的空、半滿和滿等狀態(tài)信息,實現(xiàn)對C68013內(nèi)部FIFO的選擇,并完成對CYTC68013進行讀寫操作控制。Vc5402數(shù)據(jù)包提交由配置為通用I/O的EHPI-8口實現(xiàn)。工作過程為:DSP通過USB向Pc發(fā)送數(shù)據(jù)時,先查看空、半滿和滿3個狀態(tài)信號,再向USB寫入適當(dāng)大小的數(shù)據(jù),以保證數(shù)據(jù)不會溢出。Pc機經(jīng)USB向DSP發(fā)送命令字時,USB按中斷方式通知DSP讀取命令字。因方案采用USB2.0高速模式,所以IJSB端口D+、D一線上使用15 kΩ,電阻連接到3.3 V電源。

4 uSB2.O軟件設(shè)計

USB軟件包括固件設(shè)計、驅(qū)動程序設(shè)計和主機端應(yīng)用程序的設(shè)計3方面的工作。

4.1固件設(shè)計

固件是運行在USB2.0總線控制器中的程序,功能主要包括:實現(xiàn)芯片初始化;處理USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求,加載后與主機驅(qū)動配合完成接口設(shè)備的第2次枚舉;處理與TMS320VC5402的數(shù)據(jù)交換;處理與主機之間的USB接口的數(shù)據(jù)交換。

Cypress公司為FX2芯片提供基于Keil C51開發(fā)的固件函數(shù)庫(Ezusb.1ib)和固件框架(frame Work)。利用這些固件架構(gòu),用戶開發(fā)的主要工作是根據(jù)自定義設(shè)備修改periph.c。本系統(tǒng)中CY7C68013主要完成接收并處理USB驅(qū)動程序的請求、將數(shù)據(jù)實時上傳至PC。方案選擇CY7C68013工作于異步從FIFO模式。將4 kB的FIFO對應(yīng)到兩個端點(EndPoint),即End-Point2和EndPoint6,相應(yīng)的寄存器操作為:EP2CFG=OxA0,EP6CFG=0xE2。:EndPoint2與EndPoint6分別對應(yīng)2 kB的內(nèi)部FIFO),用以存放LISB需要上傳與接受的數(shù)據(jù)。其中EndPoint2為OUT。型,從主機接收數(shù)據(jù);EndPoint6為IN型,向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。相應(yīng)的寄存器操作為EP2FIFOCFG=0xl l,EP6 FIFOCFG=0x0D。EndPoint2與End.Point6設(shè)置成自動批量(BULK)傳輸

方式,即在數(shù)據(jù)傳輸過程中不需cY7C68013的8051內(nèi)核參與。這種方式相對于其他USB2.0定義的傳輸方式具有數(shù)據(jù)可靠、傳輸速率高等特點,是最常用的傳輸方式。因此,periph.c中無需在用戶功能函數(shù)TD-Poll()中添加代碼,而只在TD-lnit()函數(shù)中設(shè)置芯片工作方式即可。為了完善整個LiSB傳輸功能,提高固件健壯性,還給FlFO添加了自動清空復(fù)位功能。

4.2驅(qū)動程序設(shè)計

USB設(shè)備驅(qū)動程序包含USB總線驅(qū)動程序和USB設(shè)備驅(qū)動程序。USB總線驅(qū)動程序由windows操作系統(tǒng)提供(USBD.SYS),用戶不需要知道USB總線驅(qū)動程序的工作細(xì)節(jié);USB設(shè)備驅(qū)動程序位于USB總線驅(qū)動程序之上,通過向USB總線驅(qū)動程序發(fā)送包含USB請求的IRP來實現(xiàn)對USB設(shè)備信息的發(fā)送或接收。USB設(shè)備驅(qū)動程序可使用cY7C68013開發(fā)包中提供的通用驅(qū)動程序,該程序可不加修改經(jīng)DDK編譯后直接使用。它是CypreSS公司為了方便用戶開發(fā)IJSB接口而提供的[7]。

4.3主機端應(yīng)用程序設(shè)計

系統(tǒng)中主機端應(yīng)用程序的主要任務(wù)是:從DsP中高速讀取信號采集處理后的數(shù)據(jù),存儲,顯示處理結(jié)果,向DsP發(fā)送控制命令。應(yīng)用程序的開發(fā)使用了VC++6.0。由于EZ-USB FX2的開發(fā)板提供了主機端驅(qū)動程序,所以在進行應(yīng)用開發(fā)時,可直接調(diào)用Win-dows API函數(shù)對win32子系統(tǒng)進行Win32調(diào)用,實現(xiàn)對USB設(shè)備的I/O操作。

應(yīng)用程序在執(zhí)行時,首先使用CreateFile()來建'立與外設(shè)的連接,從而打開設(shè)備驅(qū)動程序,獲得設(shè)備句柄。如果createFile()函數(shù)返回成功,就可對設(shè)備進行讀寫操作,一般采用ReadF、ile、writeFile。然后根據(jù)該句柄調(diào)用DeviceIoConlml()來完成數(shù)據(jù)傳輸,Devi.celoControl()函數(shù)執(zhí)行返回后,數(shù)據(jù)放在計算機的緩

沖區(qū),可以將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行顯示和存儲。當(dāng)程序需要處理多個事務(wù)時,應(yīng)采用異步方式打開接口。FX2是多端點通信,但其本身只能準(zhǔn)雙工通信。兇此,采用異步通信方式能很好協(xié)調(diào)程序事務(wù)。

圖7是運用VC++6.O編寫的界面,用以存進行USB調(diào)試時監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸情況。

5結(jié)束語

本系統(tǒng)采用高速DSP作為主控制器,通過對cY7C68013的軟硬件設(shè)計和DSP擴展I/O口的配置,實現(xiàn)了高速DSP系統(tǒng)的USB2.0接口,滿足了高速腦電信號數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)囊蟆kS著DSP技術(shù)的發(fā)展,若在系統(tǒng)中使用更高頻率的DSP,可以實現(xiàn)更快的運算和傳輸。最終用于假肢裝置的控制信息源,實現(xiàn)靈活動作。

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