基于TMS320F2812芯片和USB總線傳輸技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

來源：微計算機信息 ，作者：隋超，劉亞軍，趙玉賓，孫建國

引言

近年來，高速數(shù)字信號處理器 （DSP）已越來越廣泛地用于各個領域，例如：通信、語音處理、圖像處理、模式識別及工業(yè)控制等方面，并且日益顯示出巨大的優(yōu)越性。數(shù)字信號處理器是利用專門或通用的數(shù)字信號處理芯片、以數(shù)字計算的方法對信號進行處理，具有處理速度快、靈活、精確抗干擾能力強、體積小、可靠性高等優(yōu)點，滿足了對信號快速精確實時處理及控制的要求。

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備、速度高、自動配置、無需定位及運行安裝程序、可為外設提供電源、低功耗、低成本、高可靠性等優(yōu)點使數(shù)據(jù)的高速傳輸變得非常便利。

設計一種通用數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)，采用高性能的 TMS320F2812芯片和 USB總線傳輸技術，使信號能實時送到上位機進行分析與處理，從而實現(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)的工作過程主要是將外部的八路同步模擬輸入信號經(jīng)過 A/D轉換器進行采樣和轉換，并把采集得到的大量數(shù)據(jù)送入 DSP內部對采樣結果進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，將處理結果經(jīng)過 USB總線送至主機，進行實時的后端分析處理和顯示。

系統(tǒng)結構框圖如圖 1所示， MAX1308為 MAXIM公司生產的模 /數(shù)轉換器，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，其時鐘頻率最高為 150MHz，是目前控制領域性能最高的處理器，具有精度高、速度快、集成度高等特點，為不同控制領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++實現(xiàn)了 USB和計算機的高速數(shù)據(jù)通信，充分利用了計算機的存儲容量大等特點，可將采集到的數(shù)據(jù)存儲起來供事后分析，也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 TMS320F2812 C281x系列 DSP是 TI公司最新的 32位定點數(shù)字信號處理器，是基于 TMS320C2000數(shù)字信號處理器平臺開發(fā)的，其代碼與 24x/240x數(shù)字信號處理器完全兼容。因此，240x的用戶能夠輕松的移植到 C281x系列 DSP平臺上， C281x系列 DSP同時具有數(shù)字信號處理器和微控制器的特點，尤其是 C281x繼承了數(shù)字信號處理器的諸多優(yōu)點，其中包括可調整的哈佛總線結構和循環(huán)尋址方式。微控制器的特點主要包括字節(jié)的組合與拆分、位操作等。哈佛總線結構能夠完成指令的并行處理，在單周期內通過流水線完成指令和數(shù)據(jù)的同時提取，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用高級語言編寫系統(tǒng)程序，也能夠采用 C/C++高效率的數(shù)學算法。 C281x系列數(shù)字信號處理器在完成數(shù)學算法和系統(tǒng)控制等任務時都具有較高的性能，這樣就避免了用戶在一個系統(tǒng)中需要多個處理器的麻煩。C281x處理器內核包含了

一個 32×32位的乘法累計單元，能夠完成 64位的數(shù)據(jù)處理能力，從而使該處理器能夠實現(xiàn)更高精度的處理任務。

2.2 USB接口

USB通用接口芯片可分為 3種。一種是專門為 USB應用設計的 USB芯片，一種是建立在現(xiàn)有芯片系列基礎上的 USB芯片，還有一種是只處理 USB通信，必須被一個外部微控制器所控制的 USB芯片。該設計采用的 CH372屬于最后一種。

CH372內置了 USB通訊中的底層協(xié)議，具有省事的內置固件模式和靈活的外置固件模式。在內置固件模式下，CH372自動處理默認端點 0的所有事務，本地端 DSP只要負責數(shù)據(jù)交換，所以 DSP程序非常簡潔。在外置固件模式下，由外部 DSP根據(jù)需要自行處理各種 USB請求，從而可以實現(xiàn)符合各種

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準雙向 I/O口上，命令數(shù)據(jù)地址選擇端 A0，讀信號選擇端 RD，寫信號選擇端 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轉換器

該系統(tǒng)采用 MAXIM公司的 MAX1308型號的 AD轉換器，MAX1308獨立的采樣保持 （T/H）電路為每個通道提供同時采樣，MAX1308提供±5V輸入范圍，輸入故障容限為±16.5V。其 ADC在 0.9μs內完成 2個通道的轉換，在 1.98μs內完成多達 8個通道的轉換，8個通道轉換時每通道吞吐率為 456kSPS。其他特性包括 20MHz的 T/H輸入帶寬、內部時鐘、內部（+2.5V）或外部（+2.0V至+3.0V）基準以及低功耗省電模式。20MHz、12位雙向并行數(shù)據(jù)總線用來提供轉換結果，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，全速運行時，總電源電流為 57mA，工作溫度為-40℃至 +85℃擴展溫度范圍。

3 軟件設計

該數(shù)據(jù)系統(tǒng)的軟件由 USB驅動程序、 DSP程序和 PC機應用程序 3大模塊構成。

3.1 USB驅動

USB設備驅動是應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芯片和計算機端的 CH372 驅動程序。在本地端， CH372芯片以內置的固件程序自動處理了 USB通訊中的基本事務；在計算機端，驅動程序以及動態(tài)鏈接庫等軟件向計算機應用層提供應用層接口。

它內部提供 API函數(shù)供應用程序使用，以實現(xiàn)對 USB設備的打開、關閉、讀寫等操作。此設計中 USB設備驅動采用 USB芯片廠商提供的驅動程序 CH372DRV.EXE，安裝驅動程序 CH372DRV.EXE后，在應用程序中調用動態(tài)鏈接庫 CH375DLL.DLL提供的 API函數(shù)來打開、關閉、和讀寫 USB設備。

DSP和 USB芯片通信時，CH372芯片占用兩個地址位，當 A0引腳為高電平時選擇命令端口，可以寫入命令；當 A0引腳為低電平時選擇數(shù)據(jù)端口，可以讀寫數(shù)據(jù)。 DSP通過 8位并行口對 CH372芯片進行讀寫，所有操作都是由一個命令碼、若干個輸入數(shù)據(jù)和若干個輸出數(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時依次寫入輸入數(shù)據(jù)，每次一個字節(jié)；

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

④、命令完成，可以暫?；蛘咿D到①繼續(xù)執(zhí)行下一個命令。

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進行處理。 DSP通過 CH372芯片接收數(shù)據(jù)的處理步驟如下：

①、當 CH372接收到 USB主機發(fā)來的數(shù)據(jù)后，首先鎖定當前 USB緩沖區(qū)，防止被后續(xù)數(shù)據(jù)覆蓋，然后將 INT引腳設置為低電平，向 DSP請求中斷；

②、DSP進入中斷服務程序，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引腳恢復為高電平，取消中斷請求；

④、由于通過上述 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命令完成后釋放當前緩沖區(qū)，從而可以繼續(xù) USB 通訊；

⑥、DSP退出中斷服務程序。 DSP通過 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被動地等待 USB主機在需要時取走數(shù)據(jù)；

③、當 USB主機取走數(shù)據(jù)后，CH372首先鎖定當前 USB緩沖區(qū)，防止重復發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將 INT引腳設置為低電平，向 DSP請求中斷；

④、DSP進入中斷服務程序，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引腳恢復為高電平，取消中斷請求；

⑥、由于通過上述 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命令完成后釋放當前緩沖區(qū)，從而可以繼續(xù) USB通訊；

⑨、DSP退出中斷服務程序；

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

3.2 DSP程序

DSP程序是設計中重要的組成部分，主要分為 DSP和 USB轉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。當計算機每次下傳數(shù)據(jù)塊或 DSP上傳數(shù)據(jù)塊成功時， DSP的外部捕獲中斷CAP1就會收到CH372的中斷請求信號。當DSP接收到計算機傳輸過來的采樣命令后就啟動MAX1308進行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)計算機要求設置采樣頻率和采樣通道數(shù)目，采樣完成后，將數(shù)據(jù)一并打包傳給計算機。

DSP和采集芯片的連接采用的是總線連接方式，進行數(shù)據(jù)采集時， DSP通過總線的 D0–D7寫配置寄存器可以激活相應通道。配置寄存器中的位直接映射到相應通道， D0控制通道 0，D7控制通道 7。把任意一位設為高電平，將激活相應的輸入通道；同樣，把任意一位設為低電平，將禁用相應通道。對少于 8通道的器件，其中幾位沒有任何功能。寫配置寄存器時，將 CS和 WR設為低電平，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。在轉換時序的任意時刻都能夠對配置寄存器進行寫操作。上電時，在啟動轉換之前寫入配置寄存器，以選擇有效通道。

內部時鐘模式下啟動一次轉換，需在采樣時間內將 CONVST置為低電平。當 CONVST為低電平時， T/H捕獲信號，在 CONVST的上升沿轉換開始。一旦能夠讀取轉換結果，轉換結束信號 （EOC）將給出一個低電平脈沖。當最后一個通道的轉換結果可以被讀取時，最后轉換結束信號（EOLC）跳變到低電平。

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

3.3計算機應用程序

計算機應用程序主要完成數(shù)據(jù)的人機交互功能，用戶通過應用程序配置監(jiān)測系統(tǒng)、控制數(shù)據(jù)采集的過程和顯示采集的數(shù)據(jù)。

4 結論

本系統(tǒng)采用 DSP和 MAX125進行數(shù)據(jù)采集，通過 USB進行數(shù)據(jù)傳輸。對單路的數(shù)據(jù)采集，可以實現(xiàn) 800kSPS的實時數(shù)據(jù)傳輸，8路同步采集可以實現(xiàn) 400kSPS的實時數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)的使用方法簡便、快捷、實時監(jiān)測性好，可擴展性良好，抗干擾能力強。適當?shù)馗倪M硬件電路和程序就可以對更多采集點進行采集和監(jiān)測?；?USB和單總線的便攜式監(jiān)測，必將被眾多領域廣泛應用。

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