基于DSP和USB的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，常常需要對高速信號進(jìn)行采集與處理。例如，在光傳感技術(shù)中對光脈沖散射信號的測量，在雷達(dá)工程中對電磁脈沖信號的測量等，都需要對高速信號進(jìn)行采集與運(yùn)算，而且此類高速信號的測量，往往對數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)提出嚴(yán)格的要求。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于DSP和USB的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路簡單，可靠性好，具有一定的通用性，并且可以進(jìn)行多通道擴(kuò)展。

1 原理概述

基于DSP和USB的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)上電后，DSP、FPGA分別由各自的FLASH加載程序，采集與處理系統(tǒng)開始運(yùn)行。在A/D變換器完成轉(zhuǎn)換后由FPGA向DSP發(fā)送中斷0申請信號，DSP從A/D FIFO RAM中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行小波變換去噪處理，處理結(jié)束后DSP向USB控制器發(fā)送中斷申請信號，USB控制器將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī)，由主機(jī)應(yīng)用程序顯示數(shù)據(jù)。主機(jī)應(yīng)用程序還可以對整個采集、處理系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要設(shè)定三個功能：接收處理后的數(shù)據(jù)，接收處理前的數(shù)據(jù)，設(shè)定A/D的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為三大部分：DSP部分、FPGA部分、USB部分。

2.1 DSP部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)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(jià)比極高的32位浮點(diǎn)型數(shù)字信號處理芯片，是目前在國內(nèi)外使用最為廣泛的浮點(diǎn)DSP之一。

TMS320VC33具有以下特點(diǎn)：哈佛結(jié)構(gòu)；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(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，運(yùn)算速度可達(dá)150MFLOPS（每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算），處理能力達(dá)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(shè)計(jì)主要是為TMS320VC33的外圍電路設(shè)計(jì)。TMS320VC33的STRB0和引腳分別連接存儲器的片選和使能引腳，實(shí)現(xiàn)程序/數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展；引腳接到高電平，INT2引腳接到低電平，實(shí)現(xiàn)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(diào)試。

2.2 FPGA部分設(shè)計(jì)

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的邏輯比較復(fù)雜，為了有效地減少硬件的體積、提高硬件系統(tǒng)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(guī)?，F(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）XC3090來實(shí)現(xiàn)。邏輯控制電路包括：命令寄存器、采樣點(diǎn)數(shù)/采樣頻率設(shè)定寄存器、中斷申請信號發(fā)生器、將A/D結(jié)果寫入FIFO RAM的控制電路、USB及其FIFO和A/D FIFO狀態(tài)檢測電路。

2.3 USB部分設(shè)計(jì)

TMS320VC33與USB控制器AN2136SC之間通過雙向FIFO 交換數(shù)據(jù),握手信號使用AN2136SC的PC口。當(dāng)USB為接收緩沖器時,DSP讀,AN2136SC寫;當(dāng)USB為發(fā)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(fù)位USB接收緩沖器;PC(6)用于USB接收器滿標(biāo)志,若接收器已滿則禁止AN2136進(jìn)一步對USB接收緩沖器寫入;PC(7)用于USB發(fā)送緩沖器空標(biāo)志,若緩沖器已空則禁止AN2136SC進(jìn)一步對USB發(fā)送緩沖器讀出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括五大部分：DSP程序（用于A/D采樣控制、數(shù)據(jù)處理、DSP與USB總線之間的信息交換）、USB總線驅(qū)動程序、USB固件程序（用于PC機(jī)與DSP之間的數(shù)據(jù)交換與處理）、主機(jī)應(yīng)用程序、FPGA中對地址的譯碼程序和各個寄存器的實(shí)現(xiàn)程序。

3.1 DSP程序

DSP程序首先對DSP進(jìn)行初始化（中斷初始化、片外選通信號初始化、設(shè)定系統(tǒng)默認(rèn)的采樣點(diǎn)數(shù)/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(shù)據(jù)的讀取和處理，并向主機(jī)發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)；中斷1的程序主要用于分析主機(jī)的命令，針對主機(jī)的命令設(shè)定系統(tǒng)的采樣點(diǎn)數(shù)/采樣頻率，并發(fā)送主機(jī)需要的數(shù)據(jù)）。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(qiáng)型8051單片機(jī)處理。當(dāng)EZ-USB設(shè)備連接到USB口時，主機(jī)進(jìn)行總線枚舉，首先根據(jù)設(shè)備ID使用系統(tǒng)程序?qū)⒐碳螺d到芯片內(nèi)部，然后進(jìn)行重枚舉，固件作為用戶的功能設(shè)備開始執(zhí)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(shù)據(jù)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(fā)的，并使用Keil C進(jìn)行編譯。USB接收的DSP中斷程序如下：

voidISR_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(diǎn)4緩沖器

AUTOPTRH=MSB((WORD)&IN4BUF);

for(i=0;i<64;i++)

{AUTODATA=ACC};接收數(shù)據(jù)

FASTXFR=0x0;

IN4BC=64;發(fā)送數(shù)據(jù)大小

EZUSB_IRQ_CLEAR();

IN07IRQ=bmEP4;使能端點(diǎn)4}

3.3 主機(jī)應(yīng)用程序

為了實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動程序的通信，應(yīng)用程序首先創(chuàng)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(fā)送的事件消息，接收到事件消息后，就讀取驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)。

在Windows中，Win32應(yīng)用程序調(diào)用的API函數(shù)有五個：CreateFile()、ReadFile()、WriteFile()、DeviceIoControl()和CloseHandle()。

應(yīng)用程序?yàn)榇蜷_一個WDM設(shè)備驅(qū)動程序，使用CreateFile()函數(shù)。它的第一個參數(shù)是一個符號鏈接名。如果用DriverWorks創(chuàng)建一個WDM驅(qū)動程序，通常會用類KUnitizedName生成一個設(shè)備符號鏈接名。這個名字的后面有一個數(shù)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(yīng)用程序獲得設(shè)備的有效句柄，它就能夠調(diào)用Win32函數(shù)，這將產(chǎn)生對應(yīng)于此設(shè)備對象的相應(yīng)的IRP，發(fā)送給驅(qū)動程序，完成相應(yīng)功能。

有關(guān)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(shè)備句柄

ReadFile(hDevice,buf,n,&nRead,NULL);//讀操作

4 試驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)軟硬件調(diào)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(tǒng)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(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。經(jīng)使用驗(yàn)證，系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了對CCD信號的采集和處理。利用一塊超大規(guī)模現(xiàn)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(tǒng)的可靠性；使用DSP處理器，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度和處理速度，進(jìn)而保證了系統(tǒng)的實(shí)時性；由USB主控制器完成與PC機(jī)的通信，具有熱插拔、易于使用、傳輸速率高等特點(diǎn)；而且整個系統(tǒng)構(gòu)成合理、實(shí)現(xiàn)方法簡單、具有實(shí)用價(jià)值。