基于USB的DSP与PC的通信接口设计

摘　要：本文深入探讨了USB2.0协议，在此基础之上设计了基于USB2.0的DSP与PC通信接口的硬件电路和软件。

关键词：USB 2.0； DSP；通信接口；硬件设计；软件开发
　　一、系统设计需求分析
　　一般超声检测信号的频率都不会超过2-10MHz，根据采样定理，采样频率最好是信号最高频率的3-5倍。目前高速数据采集系统使用的采样频率在50MHz-100MHz之间，采样位数为12位，那么要处理的数据量将达到每秒75MB-150MB，故应满足：
　　（1）要求数据传输的时间必须尽量短，从而减少DSP与PC之间通信的时间开销，故需要选用高速数据接口；
　　（2）需要建立数据缓冲机制，以减小数据传输过程中的丢失或错误；
　　（3）为避免模拟数字混合电路带来的噪声干扰，保证数据传输的可靠性与稳定性，需要为接口电路设计独立的供电电源。
　　二、系统设计思路
　　针对设计要求，本文的设计思路是：
　　（1）与其他类型的接口比较而言，USB 2.0接口具有较高的通用性和快速性，60MB/S的高速传输速度可满足数据传输需要；
　　（2）采用FIFO作为数据缓冲通道，以简化传输程序设计，提高控制器的效率，减小数据的错误传输；
　　（3）以USB 2. 0控制芯片为核心，设计接口硬件电路，包括独立电源电路、USB控制器与DSP的连接电路以及USB控制器与FIFO芯片的连接子电路等。
　　三、硬件软件电路设计
　　3.1电源电路
　　电源是保证各芯片正常工作的基础，本文采用Linear Technology公司的电源稳压芯片LT1763CS8-3.3来实现。其输入电压为1.8-20伏，输出电压3.3伏，为CY7C68013USB控制器芯片提供电压电源电路如图1所示：
　　
　　图1芯片电源电路
　　 3.2软件系统设计思路
　　本系统的软件设计主要分为四个部分:主机程序、USB固件程序设计、USB驱动程序设计以及DSP数据传输程序设计。对于USB固件程序采用了GP工F波形图设计的方法，简化了设计步骤；USB驱动程序的设计参考了Cypress公司提供的通用软件开发包。系统软件总体设计思路如图2所示。
　　
　　图2软件总体设计思路
　　3.3固件程序设计
　　固件（Firmware）程序负责处理PC主机发来的各种USB请求，实现数据的传输。在GPIF模式下，CY7C68013的固件采用中断方式，固件总是在等待主机的命令，然后根据命令去执行相应的程序。这样既保证了快速的数据传输和较好的软件结构，又简化了编程和测试并且使得程序功能易于扩展。
　　Cypress公司针对其EZ-USBFX2系列的USB芯片给出了一个Firmware库和Firmware框架，均使用Kei1C51开发。
　　Firmware库提供了一些常量、数据结构、宏、函数来简化对芯片的使用。用户只需要在源程序中包含进加到项目中即可。fx2.h、fxZregs.h和fxZsdly.h，并且把和添Firmware框架实现了初始化芯片、处理USB电源管理功能。该框架不需添加任何代码，编译后产生的.HEX文件下载到芯片就能和主机进行基本的USB通信，只是不能完成用户特定的任务。对于TD_Init（）、TD_Poll（）等函数中添加初始化代码和完成特定的功能的代码即可。该程序首先初始化所有的内部状态变量，然后调用TD_Init（）函数进行初始化，并打开中断。之后，固件程序开始列举USB设备（调用UsbDisconnect函数），直到在端点0上接受到SETUP令牌包时为止。具体步骤为:
　　（1）初始化休眠模式、远程唤醒与自供电等;
　　（2）初始化用户设备;
　　（3）定向USB描述符;
　　（4）使能中断;
　　（5）重列举;
　　（6）主循环，等待主机请求。
　　USB设备的使用需要驱动程序的支持，驱动程序是连接USB控制器与PC机的纽带。很多USB芯片厂商都为其USB芯片提供通用的驱动程序，这在一定程度上简化了设计步骤。
　　3.4 INF文件
　　INF文件（Device Information File）主要用来指示安装Windows驱动程序*.SyS，一般一个Windows驱动程序要配合一个INF文件才可以进行安装。INF文件包含了相应的USB设备及其驱动程序的详细信息，这些信息包括什么设备使用什么驱动程序，设备信息在系统注册表中的存储等。INF文件可以确保USB设备能够在连接到主机的时候被正确地配置。
　　1、INF文件处理过程
　　在安装了USB设备驱动程序后，通过INF文件将该USB设备的一些基本信息保存在系统注册表中，另外驱动程序文件（*.SyS）和相应的INF文件也将复制到指定的系统目录中。
　　当USB设备连接到PC后，windows操作系统将检测到USB设备的连接，然后将系统中所有的INF文件中的数据信息与该USB设备进行比较，逐个找到与之相符合的INF文件，整个过程可以分为三步:
　　（1）系统从连接的USB设备中获取设备描述符的供应商字段（idVender）和产品字段 （idProduct），从中得到设备的硬件ID。
　　（2）系统查找与该硬件ID相符合的INF文件，如果找不到，系统将读取接口描述符，从中提取该USB设备的兼容ID，并查找与兼容ID相符合的INF文件。
　　（3）如果仍然没有找到，则系统提示用户自己安装该USB设备的驱动程序。
　　2、INF文件的结构
　　INF文件是windows操作系统下用来描述设备或文件等数据信息的文件，其是一个文本文件，由标准的ASCII码组成，可以用任何一款文字编辑器查看修改其中的内容。
　　INF文件的组成有节（Sections）、键（Key）和值（Value）3部分，INF文件的节按照层次结构排列，以方括号形式开始，Key为项目名称，Value为该项目的值。
　　3.5 Cypress通用USB驱动程序
　　Cypress为其EZ-USB系列USB接口芯片提供了一个完整的开发包，其中包括通用的USB驱动程序，用户可以在其基础上进行修改以满足USB设备的开发和调用。
　　Cypress的通用USB驱动程序的特点如下:
　　（1）采用WDM驱动模型，经由WHQL鉴定；
　　（2）兼容USB2.0设备；
　　（3）支持Windows即插即用和电源管理；
　　（4）支持USB远程唤醒；
　　（5）支持控制传输端点、块传输端点、中断传输端点和同步传输端点；
　　（6）支持同时连接多个USB设备；
　　（7）支持用户自定义GUID，而不用重新编译驱动程序；
　　（8）支持高带宽的USB数据传输。
　　3. 6 DSP与USB通信程序
　　DSP需要通过USB接口把大量数据传输到主机中。在GPIF模式下，GPIF状态机产生特定的触发和握手信号来与DSP进行通信。当USB读取指令，通过FIFO的EF会向DSP发出FIFO内存空的信号，DSP接收到后 会产生一个中断，跳转到数据传输程序，当FIFO向USB控制器发出满信号，说明FIFO存储器己满，DSP停止发送，USB控制器开始接收数据，完成读数据操作。下面简单介绍DSP的读写控制算法：
　　USB WR=1;
　　Int n=0;
　　for（int i=0;I 　　  {while（USB_FULL==0） {; }
　　    FD 2004,2（10）: 63-66. 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/jisuanjiyingyong/241985.html