《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于引言DSP平臺的USB接口設(shè)計
單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用
湯金寬 吳裕冰 曹丹華
摘要: 對于基于DSP平臺的USB接口設(shè)計,經(jīng)過綜合考慮了幾種方案之后決定,采用一個不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片PDIUSBD12(成本非常低,一片PDIUSBD12的價格僅為20元),再加上簡單的外圍電路和時序調(diào)整電路。
關(guān)鍵詞: DSP USB接口 PDIUSBD12 TMS320C2XX
Abstract:
Key words :

引言

        USB接口(Universal Serial Bus)是一種通用的高速串行接口。它最主要的特點是它的高速傳輸特性。USB1.1理論速度極限可以達(dá)到12Mb/s,USB2.0可達(dá)到 480Mb/s。這樣,它可以很好解決大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)在嵌入式系統(tǒng)與PC機之間的互傳問題;同時,它支持熱插拔,并且最多同時支持127個外設(shè),非常適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。

      本次設(shè)計是在一個已有的DSP圖像采集嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,為它配接上一個USB1.1的接口,以達(dá)到DSP圖像采集系統(tǒng)高速地將圖像數(shù)據(jù)回傳到PC機中的目的。設(shè)計的要求主要有:

      ①在原有平臺提供的接口基礎(chǔ)上,加入一個低成本、高速度的USB接口;

      ②通過USB接口,實現(xiàn)PC機對DSP圖像采集系統(tǒng)的操作與控制;

      ③實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)在DSP攝像系統(tǒng)與PC機之間高速的雙向傳輸。

      基于以上幾點可以看出,本方案最主要的特點是成本低廉且傳輸速度高。

 

1 硬件方案選擇與設(shè)計

1.1 方案選擇

        對于基于DSP平臺的USB接口設(shè)計,經(jīng)過綜合考慮了幾種方案之后決定,采用一個不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片PDIUSBD12(成本非常低,一片PDIUSBD12的價格僅為20元),再加上簡單的外圍電路和時序調(diào)整電路。

       這種芯片僅僅完成USB底層的數(shù)據(jù)鏈路級交換,并提供給本地微控制器一個并行的接口,但是它并不完成協(xié)議層的工作。協(xié)議層的工作需要對微控制器編程,控制USB接口芯片來實現(xiàn)USB協(xié)議。所以,開發(fā)難度相對來說大一些,要做的編程工作也多一點。但是這套方案的成本非常低,而且由于直接用DSP作為微控制器,沒有原單片機的瓶頸限制,所以可以實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。該系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

      由于PDIUSBD12的并行接口時序較慢,只能達(dá)到2MB/s。這個速度相對于DSP來說比較低,而且有些地方不是簡單地在程序中加入延時就可以調(diào)整,所以需要一個時序調(diào)整電路來完成它們之間的配合。

 

    1.2 PDIUSBD12芯片

         PDIUSBD12芯片是由Philips公司推出的一種USB1.1接口芯片。它可以工作在5V或者3.3V的工作電壓下;具有8位數(shù)據(jù)總線,且有完全自治的DMA傳輸操作。它還具有可控制的軟件連接(SoftConnect)功能,可以保證在微控制器可靠完成初始化之后再連接上USB總線。另外,它還有一個LED驅(qū)動腳,可以外接LED來監(jiān)測USB的枚舉過程和數(shù)據(jù)傳輸過程。當(dāng)USB接口枚舉完成,并且成功配置以后,LED將會一直點亮;而在枚舉過程以及USB數(shù)據(jù)通信過程中,LED只是有節(jié)奏地閃爍。

        PDIUSBD12只占用微控制器的兩個地址資源。也就是說,它只有一根地址線。其中一個地址用來向芯片中寫命令,另外一個地址用來向燕片中寫數(shù)據(jù)或者從芯片中讀取數(shù)據(jù)。

        PDIUSBD12一共有三組端點:端點0完成控制傳輸;端點1可以配置成中斷傳輸;端點2是主要的數(shù)據(jù)傳輸端點。它有64B的緩沖區(qū),如果加上它的雙緩沖機制,就有128B的緩沖區(qū);它可以配置成批量傳輸模式,或者同步傳輸模式。

         總的來說,PDIUSBD12是一款性能優(yōu)異,價格相對軟低的USB接口芯片。

1.3 時序芯片

        為了降低成本、簡化電路,本方案不使用DMA傳輸方式,而以TI公司的TMS320C2XX作為微控制器(使用20MHz晶振)。它的并口速度非常高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PDIUSBD12所要求的最高限制2MB/s。此處是硬件設(shè)計最關(guān)鍵的地方。

        經(jīng)過詳細(xì)的時序分析發(fā)現(xiàn),大部分問題可以通過在DSP固件設(shè)計的加入延時,或者設(shè)置DSP的WSGR寄存器來解決。但是有一個問題,必須在硬件上加以解決。圖2是DSP(TMS320C2XX)的寫時序。

        圖2中,參數(shù)th(W-D)是指在WE信號變高(無效)以后,所寫的數(shù)據(jù)將仍然保持有效的時間。這個值最小為3ns,最大為14ns,所以所寫的數(shù)據(jù)在WE信號無效以后還會維持有效,大約3~14ns(實際的延時介于這兩個值之間)。

        圖3是PDIUSBD12所要求的寫時序。圖中,參量tWDH是與DSP (TMS320C2XX)參量th(W-D)相對應(yīng)的另外一個參量。這個參量反映了PDIUSBD12要求微控制器在向其中寫數(shù)據(jù)時,所寫的數(shù)據(jù)在WR信號無效之后,要繼續(xù)保持有效的時間。這個參量最小值為10ns。也就是說,PDIUSBD12要求所寫的數(shù)據(jù)最少要保持有效10ns(在WR無效之后)。

         由此可以看出,DSP(TMS320C2XX)的寫時序不能可靠地保證滿足 PDIUSBD12的要求,而且這個問題無法通過軟件加延時的方法來解決,必須通過硬件來處理。經(jīng)過分析對比,最后決定采用一個很簡單但是后來事實證明非常有效的方法來調(diào)整它們之間的時序。那就是在DSP(TMS320C2XX)與PDIUSBD12的總線之間加一個雙向緩沖器-74LS245。這個芯片可以在它們的時序之間引入一個延時。雖然這個延時并不可靠、但是由于DSP(TMS320C2XX)本身會在WR無效后,繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)有效一段時間(前面已講過),這要僅僅需要將延時適當(dāng)延長一點就可以了。74LS245所造成的延時典型值為15ns,最小也為8ns。這樣,加上原來DSP寫時序的延時,就可以滿足PDIUSBD12所要求的寫時序了。

        另外由于加入74LS245所造成的對其它接口時序的影響,可以通過設(shè)置DSP(TMS320C2XX)的WSGR寄存器來消除,所以這個方案是可行的。(事實上,后來制造好的電路也證明了這個方案是完全可行的)

        對其余時序上的配合,經(jīng)過仔細(xì)的計算與核對證明,也是完全可行的。在硬件上,哂方案還采用了一片GAL(16V8)來實現(xiàn)對PDIUSBD12芯片的片選,以及實現(xiàn)對它的軟件和手動復(fù)位。硬件總體框圖如圖4所示。
 
2 軟件設(shè)計

2.1 固件設(shè)計

        由于采用的是不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片,所以關(guān)于USB1.1協(xié)議規(guī)范的實現(xiàn)都必須靠DSP(TMS320C2XX)控制PDIUSBD12芯片來完成。固件的主要設(shè)計任務(wù)是:在DSP(TMS320C2XX)的平臺上編寫程序,以完成 USB1.1規(guī)范所要求的標(biāo)準(zhǔn)請求及用戶根據(jù)產(chǎn)品需要自己定義的請求。

         為了不影響程序的執(zhí)行效率,本方案采用中斷方式完成固件的編寫;同時,為了保證程序的模塊化及良好的可移植性,在設(shè)計中采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行固件的編寫,如圖5所示。

 

         最下層是硬件接口層,完成硬件上PDIUSBD12與DSP(TMS320C2XX)的對接。主要是DSP(TMS320C2XX)向PDIUSBD12中寫入數(shù)據(jù)或者命令,以及從中讀取數(shù)據(jù)。

         中間層主要有兩個模塊,用來完成PDIUSBD12的命令接口和中斷處理子程序。命令接口是指按照PDIUSBD12的命令格式,完成DSP對它的控制。它的基本命令格式是:DSP先向其中的命令地址寫入某一條命令,接著從它的數(shù)據(jù)地址寫入或者讀出一系列的數(shù)據(jù)。中斷處理子程序是判斷中斷的產(chǎn)生源,然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理子程序。這些子程序不做過多的處理,而僅僅是將命令數(shù)據(jù)讀出然后置標(biāo)志位,或者是將某些數(shù)據(jù)送出。

         最上層是主循環(huán)程序,以及對于USB1.1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議請求(這些請求主要是在USB1.1協(xié)議規(guī)范的第九章中定義的)和用戶自定義請求的處理程序。主循環(huán)的主要工作是檢查標(biāo)志位。如果標(biāo)志位被置位,則調(diào)用處理子程序,判斷是標(biāo)準(zhǔn)請求還是用戶自定義請求,然后調(diào)用相應(yīng)的處理程序加以處理,完成請求。

        這樣分層的好處是:主循環(huán)程序在檢查標(biāo)志位以外的時間可以進(jìn)行其它工作,提高固件的運行效率。

         編程過程中,由于涉及了一些嚴(yán)格的接口時序配合問題,所以,整個固件的編寫工作全部采用DSP(TMS320C2XX)的匯編語言;用的是CC2000編程開發(fā)工具。

2.2 PC機軟件的設(shè)計

      PC機的驅(qū)動程序由Philips公司提供。然后,用VC++6.0,通過調(diào)用API函數(shù),編寫PC的應(yīng)用程序。這樣即可實現(xiàn)PC機對DSP(TMS320C2XX)攝像系統(tǒng)的攝像控制以及圖像的傳輸。

      主要使用的API函數(shù)是DeviceIOControl()、ReadFile()、 WriteFile()。其中DeviceIOControl()用于PC(主機)向DSP圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請求;ReadFile()和 WriteFile()分別用于從圖像采集系統(tǒng)中讀出數(shù)據(jù)以及向圖像采集系統(tǒng)中寫入數(shù)據(jù)。

       在設(shè)計過程中必須注意的問題是:由于USB接口是主-從方式的接口,它的一切傳輸過程都必須通過主機向外設(shè)發(fā)送請求后才可以開始,所以在使用ReadFile()、WriteFile()讀寫數(shù)據(jù)之前,必須先通過 DeviceIOControl()向圖像采集系統(tǒng)發(fā)送請求。

3 結(jié)果及分析

        設(shè)計方案完成后,在最后的測試當(dāng)中,通過USB1.1接口,PC機與DSP系統(tǒng)的通信速率最高達(dá)到了580KB/s(4.6Mb/s)以上。這個速率指的是有效數(shù)據(jù)傳輸速率,不包括數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)絡(luò)的頭信息部分,所以這個速率還是比較令人滿意的?,F(xiàn)在,傳輸一張幅面為352×288像素的黑白圖片(大小為99KB),耗時不到1s。如果實現(xiàn)動態(tài)的拍攝及顯示,那么,整個系統(tǒng)每秒可以拍攝并完成顯示 3~4幅不經(jīng)壓縮的幅畫為352×288像素大小的黑白圖片。

       測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)運行可靠(已將程序燒寫進(jìn)片內(nèi)Flash中),各項性能指標(biāo)都已達(dá)到了最初的設(shè)計要求,能夠很好地實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)在PC機與DSP之間高速的雙向傳輸。并且,這套USB接口方案只采用了1片PDIUSBD12接口芯片和1片 74LS245,器件成本只有20元左右,這個成本是比較低的。同時,由于采用了DSP作為控制器,所以它的通信速率可以很高;因此,可以說本方案達(dá)到了低成本,高速率的USB1.1接口設(shè)計要求。

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