引言

近年來(lái)，高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)已越來(lái)越廣泛地用于各個(gè)領(lǐng)域，例如：通信、語(yǔ)音處理、圖像處理、模式識(shí)別及工業(yè)控制等方面，并且日益顯示出巨大的優(yōu)越性。數(shù)字信號(hào)處理器是利用專門或通用的數(shù)字信號(hào)處理芯片、以數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確抗干擾能力強(qiáng)、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，滿足了對(duì)信號(hào)快速精確實(shí)時(shí)處理及控制的要求。

通用串行總線USB(Universal Serial Bus)具有連接靈活、可熱插拔、一種接口適合多種設(shè)備、速度高、自動(dòng)配置、無(wú)需定位及運(yùn)行安裝程序、可為外設(shè)提供電源、低功耗、低成本、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)使數(shù)據(jù)的高速傳輸變得非常便利。

設(shè)計(jì)一種通用數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)，采用高性能的TMS320F2812 芯片和USB總線傳輸技術(shù)，使信號(hào)能實(shí)時(shí)送到上位機(jī)進(jìn)行分析與處理，從而實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集和處理功能。

1、系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)的工作過(guò)程主要是將外部的八路同步模擬輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，并把采集得到的大量數(shù)據(jù)送入DSP 內(nèi)部對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行軟件濾波以及前端處理。在DSP 完成采集數(shù)據(jù)的處理工作后，將處理結(jié)果經(jīng)過(guò)USB 總線送至主機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的后端分析處理和顯示。

結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，MAX1308 為MAXIM 公司生產(chǎn)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣最高速率為單通道1075kSPS，8 通道為456kSPS ，精度為12 位，為8 通道同步采樣。采用TI 公司的TMS320F2812 作為處理器，其時(shí)鐘頻率最高為150MHz，是目前控制領(lǐng)域性能最高的處理器，具有精度高、速度快、集成度高等特點(diǎn)，為不同控制領(lǐng)域提供了高性能的處理器。USB 接口芯片采用的是CH372 ，具有8 位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出功能，可以方便地掛接到DSP 控制器的系統(tǒng)總線上。利用VC++ 實(shí)現(xiàn)了USB 和計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)通信，充分利用了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)，可將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)供事后分析，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。

圖1 系統(tǒng)框圖

2、系統(tǒng)硬件

2.1 TMS320F2812

C281x 系列DSP 是TI 公司最新32 位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，是基于TMS320C2000 數(shù)字信號(hào)處理器平臺(tái)開發(fā)的，其代碼與24x/240x 數(shù)字信號(hào)處理器完全兼容。因此，240x 的用戶能夠輕松的移植到C281x系列DSP 平臺(tái)上，C281x 系列DSP 同時(shí)具有數(shù)字信號(hào)處理器和微控制器的特點(diǎn)，尤其是C281x 繼承了數(shù)字信號(hào)處理器的諸多優(yōu)點(diǎn)，其中包括可調(diào)整的哈佛總線結(jié)構(gòu)和循環(huán)尋址方式。微控制器的特點(diǎn)主要包括字節(jié)的組合與拆分、位操作等。哈佛總線結(jié)構(gòu)能夠完成指令的并行處理，在單周期內(nèi)通過(guò)流水線完成指令和數(shù)據(jù)的同時(shí)提取，從而提高了處理器的處理能力。

C281x 處理器采用C/C++ 編寫的軟件，其效率高，因此用戶不僅可以應(yīng)用高級(jí)語(yǔ)言編寫系統(tǒng)程序，也能夠采用C/C++ 高效率的數(shù)學(xué)算法。C281x 系列數(shù)字信號(hào)處理器在完成數(shù)學(xué)算法和系統(tǒng)控制等任務(wù)時(shí)都具有較高的性能，這樣就避免了用戶在一個(gè)系統(tǒng)中需要多個(gè)處理器的麻煩。C281x 處理器內(nèi)核包含了一個(gè)32×32 位的乘法累計(jì)單元，能夠完成64 位的數(shù)據(jù)處理能力，從而使該處理器能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的處理任務(wù)。

2.2 USB接口

USB 通用接口芯片可分為3 種。一種是專門為USB 應(yīng)用設(shè)計(jì)的USB 芯片，一種是建立在現(xiàn)有芯片系列基礎(chǔ)上的USB 芯片，還有一種是只處理USB 通信，必須被一個(gè)外部微控制器所控制的USB 芯片。該設(shè)計(jì)采用CH372屬于最后一種。

CH372 內(nèi)置了USB 通訊中的底層協(xié)議，具有省事的內(nèi)置固件模式和靈活的外置固件模式。在內(nèi)置固件模式下，CH372 自動(dòng)處理默認(rèn)端點(diǎn)0 的所有事務(wù)，本地端DSP 只要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換，所以DSP 程序非常簡(jiǎn)潔。在外置固件模式下，由外部DSP 根據(jù)需要自行處理各種USB 請(qǐng)求，從而可以實(shí)現(xiàn)符合各種USB 類規(guī)范的設(shè)備。

圖2 USB 硬件電路圖

CH372 與 TMS320F2812 之間以非總線方式連接，連接框圖如圖2 所示。CH372 的8 位數(shù)據(jù)口D0 ~D7 分別掛在TMS320F2812 的GPIOA0 ~ GPIOA7 準(zhǔn)雙向I/O 口上，命令數(shù)據(jù)地址選擇端A0，讀信號(hào)選擇端RD，寫信息選擇端WR 和中斷輸出端INT 分別與TMS320F2812的GPIOA9、GPIOA10、GPIOA11 和GPIO8(CAP1)相連，片選引腳CS 接地。

2.3 AD 轉(zhuǎn)換器

該系統(tǒng)采用MAXIM 公司的MAX1308 型號(hào)的AD 轉(zhuǎn)換器，MAX1308 獨(dú)立的采樣保持(T/H)電路為每個(gè)通道提供同時(shí)采樣，MAX1308 提供±5V 輸入范圍，輸入故障容限為±16.5V。其ADC 在0.9µs 內(nèi)完成2 個(gè)通道的轉(zhuǎn)換，在1.98µs 內(nèi)完成多達(dá)8 個(gè)通道的轉(zhuǎn)換，8 個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)每通道吞吐率為456kSPS。其他特性包括20MHz 的T/H 輸入帶寬、內(nèi)部時(shí)鐘、內(nèi)部(+2.5V)或外部(+2.0V 至+3.0V)基準(zhǔn)以及低功耗省電模式。20MHz、12 位雙向并行數(shù)據(jù)總線用來(lái)提供轉(zhuǎn)換結(jié)果，并可接受數(shù)字輸入分別激活每一路通道。工作在+4.75V 至+5.25V 模擬電源與+2.7V 至+5.25V 數(shù)字電源下，全速運(yùn)行時(shí)，總電源電流為57mA，工作溫度為-40℃至+85℃擴(kuò)展溫度范圍。

3、軟件設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)系統(tǒng)的軟件由USB 驅(qū)動(dòng)程序、DSP 程序和PC 機(jī)應(yīng)用程序3 大模塊構(gòu)成。

3.1 USB 驅(qū)動(dòng)

USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用程序和硬件之間的接口，起著承上啟下的作用。CH372 套件包括CH372 芯片和計(jì)算機(jī)端的CH372 驅(qū)動(dòng)程序。在本地端，CH372 芯片以內(nèi)置的固件程序自動(dòng)處理了USB 通訊中的基本事務(wù)；在計(jì)算機(jī)端，驅(qū)動(dòng)程序以及動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等軟件向計(jì)算機(jī)應(yīng)用層提供應(yīng)用層接口。

它內(nèi)部提供API 函數(shù)供應(yīng)用程序使用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)USB 設(shè)備的打開、關(guān)閉、讀寫等操作。此設(shè)計(jì)中USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用USB 芯片廠商提供的驅(qū)動(dòng)程序CH372DRV.EXE，安裝驅(qū)動(dòng)程序CH372DRV.EXE 后，在應(yīng)用程序中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)CH375DLL.DLL 提供的API 函數(shù)來(lái)打開、關(guān)閉、和讀寫USB 設(shè)備。

DSP 和USB 芯片通信時(shí)，CH372 芯片占用兩個(gè)地址位，當(dāng)A0 引腳為高電平時(shí)選擇命令端口，可以寫入命令；當(dāng)A0 引腳為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口，可以讀寫數(shù)據(jù)。DSP 通過(guò)8 位并行口對(duì)CH372 芯片進(jìn)行讀寫，所有操作都是由一個(gè)命令碼、若干個(gè)輸入數(shù)據(jù)和若干個(gè)輸出數(shù)據(jù)組成，部分命令不需要輸入數(shù)據(jù)，部分命令沒有輸出數(shù)據(jù)。命令操作步驟如下：

①、在A0=1 時(shí)向命令端口寫入命令代碼；

②、如果該命令具有輸入數(shù)據(jù)，則在A0=0 時(shí)依次寫入輸入數(shù)據(jù)，每次一個(gè)字節(jié)；

③、如果該命令具有輸出數(shù)據(jù)，則在A0=0 時(shí)依次讀取輸出數(shù)據(jù)，每次一個(gè)字節(jié)；

④、命令完成，可以暫?；蛘咿D(zhuǎn)到①繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)命令。

CH372 芯片專門用于處理USB 通訊，在接收到數(shù)據(jù)后或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后，CH372 以中斷方式通知DSP 進(jìn)行處理。DSP 通過(guò)CH372 芯片接收數(shù)據(jù)的處理步驟如下：

①、當(dāng)CH372 接收到USB 主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，首先鎖定當(dāng)前USB 緩沖區(qū)，防止被后續(xù)數(shù)據(jù)覆蓋，然后將INT 引腳設(shè)置為低電平，向DSP 請(qǐng)求中斷；

②、DSP 進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先執(zhí)行GET_STATUS 命令獲取中斷狀態(tài)；

③、CH372 在GET_STATUS 命令完成后將INT 引腳恢復(fù)為高電平，取消中斷請(qǐng)求；

④、由于通過(guò)上述GET_STATUS 命令獲取的中斷狀態(tài)是“下傳成功”，所以DSP 執(zhí)行RD_USB_DATA命令從CH372 讀取接收到的數(shù)據(jù)；

⑤、CH372 在RD_USB_DATA 命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū)，從而可以繼續(xù)USB 通訊；

⑥、DSP 退出中斷服務(wù)程序。

DSP 通過(guò)CH372 芯片發(fā)送數(shù)據(jù)的處理步驟如下：

①、DSP 執(zhí)行WR_USB_DATA 命令向CH372 寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)；

②、CH372 被動(dòng)地等待USB 主機(jī)在需要時(shí)取走數(shù)據(jù)；

③、當(dāng)USB 主機(jī)取走數(shù)據(jù)后，CH372 首先鎖定當(dāng)前USB 緩沖區(qū)，防止重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將INT引腳設(shè)置為低電平，向DSP 請(qǐng)求中斷；

④、DSP 進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先執(zhí)行GET_STATUS 命令獲取中斷狀態(tài)；

⑤、CH372 在GET_STATUS 命令完成后將INT 引腳恢復(fù)為高電平，取消中斷請(qǐng)求；

⑥、由于通過(guò)上述GET_STATUS 命令獲取的中斷狀態(tài)是“上傳成功”，所以DSP 執(zhí)行WR_USB_DATA命令向CH372 寫入另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果沒有后續(xù)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，那么DSP 不必執(zhí)行WR_USB_DATA 命令；

⑦、DSP 執(zhí)行UNLOCK_USB 命令；

⑧、CH372 在UNLOCK_USB 命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū)，從而可以繼續(xù)USB 通訊；

⑨、DSP 退出中斷服務(wù)程序；

⑩、如果DSP 已經(jīng)寫入了另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù)，那么轉(zhuǎn)到②，否則結(jié)束。

3.2 DSP 程序

DSP 程序是設(shè)計(jì)中很重要的組成部分，主要分為DSP 和USB 轉(zhuǎn)換芯片之間的通訊以及DSP 和數(shù)據(jù)采集芯片MAX1308 之間的通信。當(dāng)計(jì)算機(jī)每次下傳數(shù)據(jù)塊或DSP 上傳數(shù)據(jù)塊成功時(shí)，DSP 的外部捕獲中斷CAP1就會(huì)收到CH372 的中斷請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)DSP接收到計(jì)算機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的采樣命令后就啟動(dòng)MAX1308進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)計(jì)算機(jī)要求設(shè)置采樣頻率和采樣通道數(shù)目，采樣完成后，將數(shù)據(jù)一并打包傳給計(jì)算機(jī)。

DSP和采集芯片的連接采用的是總線連接方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，DSP通過(guò)總線的D0–D7 寫配置寄存器可以激活相應(yīng)通道。配置寄存器中的位直接映射到相應(yīng)通道，D0 控制通道0，D7 控制通道7 。把任意一位設(shè)為高電平，將激活相應(yīng)的輸入通道；同樣，把任意一位設(shè)為低電平，將禁用相應(yīng)通道。對(duì)少于8通道的器件，其中幾位沒有任何功能。寫配置寄存器時(shí)，將CS和WR 設(shè)為低電平，然后將D0–D7 位裝載到并行總線，再將WR 置為高電平。數(shù)據(jù)在WR 的上升沿鎖存。在轉(zhuǎn)換時(shí)序的任意時(shí)刻都能夠?qū)ε渲眉拇嫫鬟M(jìn)行寫操作。上電時(shí)，在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換之前寫入配置寄存器，以選擇有效通道。

內(nèi)部時(shí)鐘模式下啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換，需在采樣時(shí)間內(nèi)將CONVST 置為低電平。當(dāng)CONVST 為低電平時(shí)，T/H 捕獲信號(hào)，在CONVST 的上升沿轉(zhuǎn)換開始。一旦能夠讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)(EOC)將給出一個(gè)低電平脈沖。當(dāng)最后一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果可以被讀取時(shí)，最后轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)(EOLC)跳變到低電平。

在EOLC 的下降沿，DSP 將CS 和RD 置為低電平，把第一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果置于并行總線。RD 連續(xù)的低電平脈沖將轉(zhuǎn)換結(jié)果順次放到總線上。時(shí)序中最后一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取后，額外的讀脈沖可以使指針重新指向第一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果。

3.3 計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序

計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序主要完成數(shù)據(jù)的人機(jī)交互功能，用戶通過(guò)應(yīng)用程序配置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制數(shù)據(jù)采集的過(guò)程和顯示采集的數(shù)據(jù)。

4、結(jié)論

本系統(tǒng)采用DSP 和MAX125 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)USB 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)單路的數(shù)據(jù)采集，可以實(shí)現(xiàn)800kSPS 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，8 路同步采集可以實(shí)現(xiàn)400kSPS 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)的使用方法簡(jiǎn)便、快捷、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性好，可擴(kuò)展性良好，抗干擾能力強(qiáng)。適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)硬件電路和程序就可以對(duì)更多采集點(diǎn)進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)。基于USB 和單總線的便攜式監(jiān)測(cè)，必將被眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。