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案例頻道 DSP即數字信號處理器，由于其采用特殊的軟硬件結構特別適合于數字信號處理運算，己成為通信、計算機、消費電子、自動控制等領域的基礎器件。DSP將是未來集成電路中發展最快的電子產品。
USB（Universal Serial Bus）即通用串行總線，是一種高速的接口技術，它的主要特點是傳輸速度高、支持熱拔插并且最多同時支持127個外設等，USB1.1的理論速度可以達到12Mb/s,USB2.0的速度可以達到480Mb/s，可以很好的解決嵌入式系統與PC機之間大數據量的傳輸，成為應用極為廣泛的PC機與外圍設備之間的接口標準。完整的USB系統通常包括三部分：具有USB接口的PC，能夠支持USB的系統軟件和使用USB接口的設備。本次設計就是要在一個采用TMS320F2407A實現電機控制的多路數據采集與處理系統上加上一個USB1.1的接口，以實現2407與上位機PC之間高效、快速、方便的傳輸數據。
1 TMS320F2407A DSP芯片和AN2131Q USB接口芯片介紹
TMS320F2407A是美國德州儀器(TI)公司生產的一款應用于數字控制和信號處理領域的高性能定點DSP芯片，是TI 2000系列DSP中應用較成熟的一款, 內核為16位的定點DSP CPU，具有低成本、低功耗、高速運算能力，采用高性能靜態CMOS技術，供電電壓為3.3V，指令周期可達25 ns，片內集成了多種外設模塊及存儲器，如串行通信接口 (SCI)、16位的同步串行外圍接口(SPI)、CAN通信模塊以及32K字的FLASH存儲器，構成了真正的單芯片控制器，具有很高的性價比，得到了廣泛的應用，如由電機控制的數據采集系統、測控儀表、運動控制等領域，采用這款芯片開發的嵌入式系統，一般都以串口與上位機通信，速度太慢，所以在本次設計中為了提高通信速度，采用Cypress公司的AN2131Q USB接口芯片，它的結構如圖1。
AN2131Q是Cypress公司推出的一款自帶微處理器的USB接口芯片，性能特點如下：
（1）支持全速和低速USB傳輸，有3個8位的IO端口，獨立的8位數據總線和獨立的16位地址總線，片內嵌有一款增強型的8051微處理器，每4個時鐘周期就可以執行一條指令，比標準的8051快了3倍。
（2）IO端口、數據總線、地址總線都是互相獨立的，方便擴展存儲器，通過數據總線和外部交換數據速率非常快，最快可以達到12Mbit/s。AN2131Q支持控制傳輸，中斷傳輸，批量傳輸和同步傳輸。
圖1 AN2131Q的結構框圖
（3）AN2131Q片內沒有ROM，固件存儲在主機上，芯片上電后枚舉過程完全是由硬件自動完成的，枚舉完成后作為一個USB設備與主機通信下載固件（firmware），下載完成后，8051脫離復位狀態執行固件程序，可以通過固件對USB接口進行再枚舉，這種軟配置可以方便的對產品進行升級。
（4）USB1.1協議比較復雜，直接從底層開發難度很大，AN2131Q的片上串行接口引擎（SIE）可以自動完成包排序，信號產生及檢測，CRC產生及校驗，位填充以及包標示產生及解碼等大部分的協議操作，使開發人員擺脫了復雜的協議細節，加快了開發進程。
2 系統設計及USB模塊設計
系統工作原理如下：上位機通過USB接口發送命令，DSP接收命令后，通過電機轉動控制信息源，CPLD譯碼，DSP讀取各個AD轉換的數據進行初步處理、壓縮后通過USB接口傳給上位機應用軟件。系統框架如圖2。
圖2 系統整體功能框圖
本次設計主要是在已有系統的基礎上加上USB接口，用到了USB的控制傳輸和批量（BULK）傳輸模式，控制傳輸利用端點0接收主機的控制信息或發送設備狀態信息。數據傳輸用批量傳輸，包括IN和OUT兩種操作。
（1）BULK IN 數據從設備發向主機
主機向AN2131Q內核發送IN標志，請求IN傳輸，AN2131Q準備好數據后響應IN請求，8051內核裝載端點字節計數器表明數據已準備好，如未準備好，則AN2131Q內核以NAK響應主機，當主機發送一個表示數據接收正確的確認信號ACK，AN2131清端點標志位BUSY，通知8051緩沖器為空，為下一次傳輸做準備。
（2）BULK OUT 數據從主機發往USB設備
主機發出OUT信號和要發送的數據包。如AN2131Q正確接收，返回ACK，如沒有正確接收返回NAK，同時主機繼續發送OUT數據，直到AN2131Q返回ACK，每個OUT端點都有一個字節計數器可以讓8051知道字節數和是否已經完成讀取操作，為下一次OUT做準備。
3 AN2131Q的硬件連接
為了提高DSP和AN2131Q之間的傳輸速度，采用了兩片FIFO芯片，解決了傳輸的瓶頸問題。DSP用IO口訪問FIFO。AN2131Q用數據線和FIFO連接。FIFO有三種狀態空(EF)、半滿(HF)、滿(FF)都是低有效信號，當讀取FIFO時首先檢查EF狀態，只有為高電平才可以讀取，寫入時檢查HF狀態，若為無效狀態就說明數據還不到半滿可以寫入大小為FIFO容量一半的數據包。合理利用這三個狀態信號可以提高傳輸效率，FIFO芯片采用IDT72V02，容量為1K×9Bit。AN2131Q的工作電壓為3.3V，它的接地引腳5、6、13、14、72要通過1k電阻接地。SCL、SDA管腳要通過2.2k電阻上拉，不能懸空WAKEUP引腳，USB+、USB-要通過2個24歐的電阻接D+、D-以降低干擾。
4 軟件設計
本接口的軟件設計主要包括USB固件及USB設備的驅動，固件是USB設備運行的核心主要完成以下功能：
（1）完成AN2131Q內核及外圍設備的配置，讓上層USB設備驅動程序知道USB設備的能力。
（2）完成DSP與AN2131Q的通信，主機與AN2131Q的通信。DSP通過讀寫FIFO芯片與AN2131Q通信，AN2131Q通過讀寫FIFO與主機PC通信。
根據AN2131的存儲空間和運行速度，選擇51系列C語言編寫固件代碼。根據CYPRESS公司提供的固件程序框架，通過這個框架可以總結出自己的固件程序框架，主要包括設備描述符信息，設備功能代碼，和通信控制功能代碼框架如下：
（1）配置AN2131Q的外圍設備信息和通信管道。下面代碼完成AN2131Q的初始化后進入主循環，檢測是否有主機命令，如果收到命令，置CmdFlag為TURE，處理主機命令，然后CmdFlag被置為FALSE。
…
Initial() //AN2131Q初始化配置
While(TURE)//進入無限循環
{
If(CmdFlag)//是否收到主機命令
{
SetupCmd();//執行Setup包里的命令，設備描述符信息
CmdFlag＝FALSE；
}
…//CPU其他動作
}
（2）通信管道的初始化
通道即端點與PC之間建立的鏈路，使能通信端點。
（3）數據收發
USB設備向主機發送信息和接收主機信息都是以數據包為單位，下面以輸入端點2和輸出端點2為例說明數據的收發過程。
向主機發送數據：
InputEndpointInt( )
{
If((IN2CS&0x02)!=0x02)//輸出緩沖區是否為空
{
DataNum＝PacketNum；//讀取數據包個數
for(i=0;i<DataNum;i++)
{…}// 寫入緩沖區
IN2BC＝DataNum；//設置數據包大小寄存器
}
…
}
主機發送數據：
OutputEndpointInt( )
{
If((OUT3CS&0x02)!=0x02)//輸入緩沖區是否為空
{
DataNum＝OUT3BC;//取得輸入數據包大小
for(i=0;i<DataNum;i++)
{…}//從緩沖區讀出
OUT3BC＝0;//數據包大小寄存器清0
}
…
}
在設備連接時，固件由專門的裝載驅動程序自動裝載到設備。固件捆綁在裝載驅動程序之中。USB設備驅動程序給上層應用軟件提供接口，一方面又直接和底層固件進行通信。USB設備的驅動程序的設計中采用了CYPRESS公司的通用驅動程序ezusbsys.sys，此通用設備驅動程序只能執行一些標準的USB設備請求和數據傳輸，根據本次設計的需要在這個模塊的基礎上進行了一些擴充，重新用WDM DDK生成驅動程序滿足了設計的需要。
5 結束語
本系統最終實現了DSP的USB接口，經過實驗，與上位機通信的速率可達4Mbit/s，系統采用串口和上位機通信的時候速度最高才為幾十kbps。速度提高了上百倍，滿足了本信息采集與處理系統的要求。通過該系統的實現，證明了用USB接口實現上、下位機通信的優越性。
參考文獻
[1] Universal Serial Bus Specification [S]. Compaq、Intel、Microsoft、NEC、Revision，
September 23，1998
[2] Cypress Semiconductor. AN2131Q Technical Reference Manual [Z].
San Jose,CA,US:Cypress Semiconductor,2000
[3] Axelson Jan. 陳 逸譯.USB大全.北京：中國電力出版社，2001
[4] TMS320F2407A DSP Datasheet. TI，1999
[5] 許永和.USB外圍設備設計與應用.北京：中國電力出版社，2002
作者簡介：趙迎輝（1981－），男，西南交通大學信息科學與技術學院2003級研究生，研究方向
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號