基于TMS320C6713的USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于TMS320C6713的USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320C6713作為主控制器，通過CY7C68001USB控制器連接TMS320C6713與PC主機(jī)，克服了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量小，傳輸速度慢的缺點(diǎn)，能更好地滿足大容量數(shù)據(jù)的傳輸要求。在此詳細(xì)闡明了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)思想，并進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。結(jié)果證明，研制的系統(tǒng)具有傳輸速率高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：高速數(shù)據(jù)傳輸；USB 2．0；DSP；VC++

0 引言
    近年來，隨著DSP技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、遙測(cè)遙感等各個(gè)領(lǐng)域。聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集具有采集量大，速度快的特點(diǎn)，因此，在DSP與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要采用高速通信接口。傳統(tǒng)的接口一般采用PCI總線或RS 232串行總線。PCI總線傳輸速率可達(dá)132 Mb／s，但其擴(kuò)充槽有限且插拔不方便；RS 232串行總線連接比較方便，但是傳輸速率太慢，不易用于高速傳送數(shù)據(jù)和傳送大量數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的計(jì)算機(jī)不再為用戶提供PCI和RS 232外部接口，USB逐漸成為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口。通用串行總線(USB)集中了PCI和RS 232串行總線的優(yōu)點(diǎn)，具有方便的即插即用和熱插拔特性以及較高的傳輸速率。其中，USB 2．0的速率最高可達(dá)480 Mb／s，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?br />     該系統(tǒng)采用TMS320C6713，配合嵌入U(xiǎn)SB 2．0協(xié)議的芯片CY7C68001，實(shí)現(xiàn)了PC主機(jī)與DSP間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

1 芯片介紹
    TMS320C6713為高性能32位浮點(diǎn)DSP，適用于專業(yè)音頻信號(hào)處理，其主頻可達(dá)300 MHz，處理速度高達(dá)2 400 MIPS／1 800MFLOPS。其內(nèi)部采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)；具有256 KB的片上存儲(chǔ)空間；豐富的外設(shè)包括2個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)、2個(gè)多通道音頻串口(McASP)、SPI和I2C等；增強(qiáng)的直接存儲(chǔ)器訪問(EDMA)控制器，可控制16個(gè)獨(dú)立通道完成不受CPU干預(yù)的數(shù)據(jù)傳輸；32 b的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，能與SRAM，ERPOM，F(xiàn)LASH，SBSRAM和SDRAM無縫連接。
    Cypress公司的CY7C68001集成了USB 2．0收發(fā)器(物理層)以及USB 2．0串行接口引擎SIE(鏈路層，實(shí)現(xiàn)底層通信協(xié)議)，可工作在USB 2．0高速和全速狀態(tài)。它的最高速度可達(dá)480 Mb／s，具有2個(gè)外部接口，均可通過同步或異步方式進(jìn)行訪問。其命令接口用來訪問CY7C68001寄存器、Endpoint0寄存器以及描述表，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)接口用來訪問4個(gè)1 KB的FIFO。

2 硬件設(shè)計(jì)
    TMS320C6713通過EMIF的CE3存儲(chǔ)空間可以外擴(kuò)USB 2．0接口，因此在對(duì)外擴(kuò)USB進(jìn)行讀／寫訪問前，需要通過EMIF的CE3控制寄存器CE3CTL來配置CE3空間的存儲(chǔ)器接口的類型、存儲(chǔ)器寬度及讀寫時(shí)序(建立時(shí)間、系統(tǒng)時(shí)間、保持時(shí)間等)，具體配置在USB程序配置中詳細(xì)給出。
    CY7C68001采用并行異步存儲(chǔ)器接口通過可編程邏輯芯片CPLD與TMS320C6713相連接。其原理框圖如圖1所示。

    由于在USB數(shù)據(jù)傳輸過程中，EMIF接口的片選信號(hào)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間片選CE3空間，因此，需要避免TMS320C6713在USB數(shù)據(jù)傳輸過程中使用通過EMIF接口通過其他CEX空間外擴(kuò)的SDRAM、SBSRAM等存儲(chǔ)器，否則會(huì)造成USB數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤傳輸。
    CY7C68001除了存儲(chǔ)器接口外，還有1個(gè)中斷信號(hào)和4個(gè)狀態(tài)信號(hào)(READY，F(xiàn)LAGA，F(xiàn)LAGB和FLAGC)。中斷信號(hào)采用TMS320C67 13的外部中斷EXT_INT6。
    TMS320C6713使用CY7C68001作為從設(shè)備。在這種模式下，DSP可以像讀／寫普通FIFO一樣對(duì)CY7C68001內(nèi)部的FIFO進(jìn)行讀／寫。PC主機(jī)發(fā)出命令的同時(shí)也由CY7C68001的引腳提供中斷觸發(fā)信號(hào)給DSP的EXT_INT6。其上升沿被檢測(cè)到以后，DSP就進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序，開始處理USB的傳輸。DSP通過EA[4：2]連接FIFOA[2：0]對(duì)CY7C68001內(nèi)部FIFO或命令口進(jìn)行選擇。讀／寫數(shù)據(jù)通過ED[15：0]與FIFO[15：0]連接進(jìn)行。FIFO和命令口的選擇和地址分配如表1所示。

    經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，USB異步傳輸速率可達(dá)3 Mb／s。

3 USB程序配置
    USB程序在實(shí)現(xiàn)了在DSP端對(duì)USB初始化和USB數(shù)據(jù)傳輸。USB定義了4種傳輸類型：同步傳輸、中斷傳輸、控制傳輸和塊傳輸。同步傳輸適用于傳輸大量的、速度恒定的、且對(duì)服務(wù)周期有要求的數(shù)據(jù)；中斷傳輸適用于傳輸少量或中量的、且對(duì)服務(wù)周期有要求的數(shù)據(jù)；控制傳輸適用于傳輸少量的、且對(duì)傳輸時(shí)間和傳輸速率均無要求，但必須保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；塊傳輸適用于傳輸大量的、且對(duì)傳輸時(shí)間和傳輸速率均無要求的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)CY7C68001采用并行異步存儲(chǔ)器接口與TMS320C6713相連接，數(shù)據(jù)傳輸量較大，要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，因此選擇塊傳輸作為USB的傳輸方式。
    首先，通過調(diào)用用戶的初始化函數(shù)，使能外部中斷并初始化USB寄存器。之后，程序通過數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，完成了DSP與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。
    USB初始化程序配置為：使能外部中斷6(EXT_INT6)；加載USB描述表，并進(jìn)行自舉檢測(cè)，如自舉不成功，則重新自舉，直到端點(diǎn)0收到設(shè)置包為止；配置USB為異步從FIFO(Asynchronous Slave FIFO)模式，采用內(nèi)部的48 MHz時(shí)鐘源；讀取FNADDR寄存器，判斷USB工作狀態(tài)；依據(jù)USB工作狀態(tài)，配置EP2，EP4，EP6，EP8，并設(shè)置一次傳送的字節(jié)長(zhǎng)度。設(shè)置EP2，EP4為BULK OUT，EP6，EP8為BULK IN。其緩沖大小分別為2×512B。
    在數(shù)據(jù)傳輸過程中，PC端通過EP2向DSP發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，DSP通過外部中斷收到讀命令后，使用EP6發(fā)送已采集好的數(shù)據(jù)。在聲音數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，每路麥克風(fēng)以每秒96 kHz進(jìn)行24位采樣，按照ping-pong方式進(jìn)行存儲(chǔ)。因此在USB_TRANSFER()還需進(jìn)行判斷，當(dāng)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ping緩存時(shí)，發(fā)送pong緩存中的數(shù)據(jù)；當(dāng)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在pong緩存時(shí)，發(fā)送ping緩存的數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)傳輸程序配置如下：判斷EP2是否有讀命令；傳輸存放在ping，pong緩存中已采集到的數(shù)據(jù)。
    程序中部分代碼如下：

   
    其中，通過Read_SX2reg()可判斷FIFO中的數(shù)據(jù)是否被發(fā)送，若被發(fā)送，則FIFO寄存器標(biāo)志為空，反之，標(biāo)志為滿。SX2_Fifo_Write()向相應(yīng)的FIFO中寫入傳輸數(shù)據(jù)。其中ENDPOINT6表示使用EP6端點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，ping+pingcnt表示要發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址，F(xiàn)ifoLength為發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。系統(tǒng)采用USB 2．0進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)EP的FIFO緩沖大小為512 B，CY7C68001采用16位數(shù)據(jù)線與TMS320C613相連，故FifoLength大小設(shè)為256 B。
    由于TMS320C6713通過EMIF的CE3存儲(chǔ)空間可以外擴(kuò)USB 2．0接口，還需對(duì)。EMIF接口的CE3寄存器進(jìn)行配置，將USB接口設(shè)為16位異步存儲(chǔ)接口，設(shè)定讀／寫的建立時(shí)間(Setup)、促發(fā)時(shí)間(Strobe)、保持時(shí)間，使其滿足CY7C68001的讀／寫時(shí)序要求。具體配置如下：
   

4 PC端應(yīng)用程序
    PC主機(jī)端需要編寫USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要通過調(diào)用微軟的USBD．SYS來實(shí)現(xiàn)PC機(jī)于USB總線的數(shù)據(jù)交換，采用WDM(Windows Driver Mode)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編寫，分為USB底層驅(qū)動(dòng)程序和USB功能驅(qū)動(dòng)程序。USB底層驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)提供，USB功能驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開發(fā)者進(jìn)行編寫。
    PC端應(yīng)用程序采用VC++6．0編寫應(yīng)用程序，首先調(diào)用OpenDriver()打開USB接口設(shè)備，獲得設(shè)備的句柄hDevice，之后調(diào)用Sx2SendVendor Req()函數(shù)向外設(shè)發(fā)出命令，讀取USB配置，最后調(diào)用Sx2BulkdataTrans()進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過調(diào)用CFile類將接收到的數(shù)據(jù)存放在文件名為“Collection．txt”的文本文件中。程序使用多線程技術(shù)，使得應(yīng)用程序?qū)SB數(shù)據(jù)傳輸在后臺(tái)進(jìn)行處理，應(yīng)用程序前臺(tái)還可進(jìn)行其他操作。
    程序簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)如下功能：當(dāng)點(diǎn)擊“Start Sample”按鈕時(shí)，開始進(jìn)行USB數(shù)據(jù)傳輸，點(diǎn)擊“Stop Sample”按鈕時(shí)，停止USB數(shù)據(jù)傳輸。采樣的多通道數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序中進(jìn)行圖像顯示，方便對(duì)數(shù)據(jù)的判斷。
    程序關(guān)鍵函數(shù)如下：
   
    函數(shù)中myRequest的成員變量與DSP中斷程序中SetupBuff緩沖區(qū)的 8 B數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，Sx2SendVendotReq()通過調(diào)用Windows API函數(shù)Devi ceIoControl()向DSP中發(fā)送命令，DSP端程序需與之配合，返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，完成讀取USB配置。
   
    通過對(duì)函數(shù)中bulkControl的成員變量pipenumber設(shè)置，確定PC主機(jī)端與CY7C68001的哪個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，Sx2BulkdataTrans()也通過調(diào)用Windows API函數(shù)DeviceIoControl()向DSP中發(fā)送讀／寫數(shù)據(jù)命令，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保存在buffer中。
    應(yīng)用程序界面如圖2所示。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    驗(yàn)證思路：對(duì)保存在Collection．txt中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，Collection．txt保存的數(shù)據(jù)為多通道數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，由于sound()函數(shù)調(diào)用PC機(jī)的聲卡，絕大多數(shù)聲卡支持的數(shù)據(jù)采樣頻率在5～44．1 kHz之間。因此對(duì)采樣的96 kHz進(jìn)行抽樣，將其轉(zhuǎn)化為24 kHz，利用Matlab中的sound()函數(shù)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行聲音還原，判斷采集的數(shù)據(jù)是否正確。
    sound(y，F(xiàn)s)函數(shù)可以發(fā)送頻率為Fs的向量信號(hào)y到Microsoft Windows操作平臺(tái)的揚(yáng)聲器，產(chǎn)生聲音信號(hào)，數(shù)值y的范圍為[-1，+1]，超過該范圍的數(shù)據(jù)將不能播放。該系統(tǒng)采用24位采樣，采樣所得數(shù)據(jù)為整形數(shù)據(jù)，故需將整形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到[-1，+1]的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)。
    程序關(guān)鍵代碼如下：
   
    經(jīng)驗(yàn)證可得，還原聲音與采樣聲音一致，USB數(shù)據(jù)傳輸正確可靠。

6 結(jié)語(yǔ)
    系統(tǒng)采用USB 2．0作為通信接口，具有較高的傳輸速率，滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求。同時(shí)設(shè)計(jì)了DSP端與PC機(jī)端相應(yīng)的軟件，其中PC端應(yīng)用程序利用VC的MFC框架資源豐富的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)界面直觀友好，具有較強(qiáng)的擴(kuò)充性。在實(shí)際運(yùn)用中，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為高速數(shù)據(jù)的傳輸和處理提供了有力的保障。