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        DSP即数字信号处理器，由于其采用特殊的软硬件结构特别适合于数字信号处理运算，己成为通信、计算机、消费电子、自动控制等领域的基础器件。DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品。

        USB（Universal Serial Bus）即通用串行总线，是一种高速的接口技术，它的主要特点是传输速度高、支持热拔插并且最多同时支持127个外设等，USB1.1的理论速度可以达到12Mb/s,USB2.0的速度可以达到480Mb/s，可以很好的解决嵌入式系统与PC机之间大数据量的传输，成为应用极为广泛的PC机与外围设备之间的接口标准。完整的USB系统通常包括三部分：具有USB接口的PC，能够支持USB的系统软件和使用USB接口的设备。本次设计就是要在一个采用TMS320F2407A实现电机控制的多路数据采集与处理系统上加上一个USB1.1的接口，以实现2407与上位机PC之间高效、快速、方便的传输数据。

 

        TMS320F2407A是美国德州仪器(TI)公司生产的一款应用于数字控制和信号处理领域的高性能定点DSP芯片，是TI 2000系列DSP中应用较成熟的一款, 内核为16位的定点DSP CPU，具有低成本、低功耗、高速运算能力，采用高性能静态CMOS技术，供电电压为3.3V，指令周期可达25 ns，片内集成了多种外设模块及存储器，如串行通信接口 (SCI)、16位的同步串行外围接口(SPI)、CAN通信模块以及32K字的FLASH存储器，构成了真正的单芯片控制器，具有很高的性价比，得到了广泛的应用，如由电机控制的数据采集系统、测控仪表、运动控制等领域，采用这款芯片开发的嵌入式系统，一般都以串口与上位机通信，速度太慢，所以在本次设计中为了提高通信速度，采用Cypress公司的AN2131Q USB接口芯片，它的结构如图1。

        AN2131Q是Cypress公司推出的一款自带微处理器的USB接口芯片，性能特点如下：

（1）支持全速和低速USB传输，有3个8位的IO端口，独立的8位数据总线和独立的16位地址总线，片内嵌有一款增强型的8051微处理器，每4个时钟周期就可以执行一条指令，比标准的8051快了3倍。

（2）IO端口、数据总线、地址总线都是互相独立的，方便扩展存储器，通过数据总线和外部交换数据速率非常快，最快可以达到12Mbit/s。AN2131Q支持控制传输，中断传输，批量传输和同步传输。

图1 AN2131Q的结构框图

 

（3）AN2131Q片内没有ROM，固件存储在主机上，芯片上电后枚举过程完全是由硬件自动完成的，枚举完成后作为一个USB设备与主机通信下载固件（firmware），下载完成后，8051脱离复位状态执行固件程序，可以通过固件对USB接口进行再枚举，这种软配置可以方便的对产品进行升级。

（4）USB1.1协议比较复杂，直接从底层开发难度很大，AN2131Q的片上串行接口引擎（SIE）可以自动完成包排序，信号产生及检测，CRC产生及校验，位填充以及包标示产生及解码等大部分的协议操作，使开发人员摆脱了复杂的协议细节，加快了开发进程。

         系统工作原理如下：上位机通过USB接口发送命令，DSP接收命令后，通过电机转动控制信息源，CPLD译码，DSP读取各个AD转换的数据进行初步处理、压缩后通过USB接口传给上位机应用软件。系统框架如图2。

图2 系统整体功能框图

        本次设计主要是在已有系统的基础上加上USB接口，用到了USB的控制传输和批量（BULK）传输模式，控制传输利用端点0接收主机的控制信息或发送设备状态信息。数据传输用批量传输，包括IN和OUT两种操作。

（1）BULK IN  数据从设备发向主机

主机向AN2131Q内核发送IN标志，请求IN传输，AN2131Q准备好数据后响应IN请求，8051内核装载端点字节计数器表明数据已准备好，如未准备好，则AN2131Q内核以NAK响应主机，当主机发送一个表示数据接收正确的确认信号ACK，AN2131清端点标志位BUSY，通知8051缓冲器为空，为下一次传输做准备。

（2）BULK OUT  数据从主机发往USB设备

主机发出OUT信号和要发送的数据包。如AN2131Q正确接收，返回ACK，如没有正确接收返回NAK，同时主机继续发送OUT数据，直到AN2131Q返回ACK，每个OUT端点都有一个字节计数器可以让8051知道字节数和是否已经完成读取操作，为下一次OUT做准备。

        为了提高DSP和AN2131Q之间的传输速度，采用了两片FIFO芯片，解决了传输的瓶颈问题。DSP用IO口访问FIFO。AN2131Q用数据线和FIFO连接。FIFO有三种状态空(EF)、半满(HF)、满(FF)都是低有效信号，当读取FIFO时首先检查EF状态，只有为高电平才可以读取，写入时检查HF状态，若为无效状态就说明数据还不到半满可以写入大小为FIFO容量一半的数据包。合理利用这三个状态信号可以提高传输效率，FIFO芯片采用IDT72V02，容量为1K×9Bit。AN2131Q的工作电压为3.3V，它的接地引脚5、6、13、14、72要通过1k电阻接地。SCL、SDA管脚要通过2.2k电阻上拉，不能悬空WAKEUP引脚，USB+、USB-要通过2个24欧的电阻接D+、D-以降低干扰。

        本接口的软件设计主要包括USB固件及USB设备的驱动，固件是USB设备运行的核心主要完成以下功能：

（1）完成AN2131Q内核及外围设备的配置，让上层USB设备驱动程序知道USB设备的能力。

（2）完成DSP与AN2131Q的通信，主机与AN2131Q的通信。DSP通过读写FIFO芯片与AN2131Q通信，AN2131Q通过读写FIFO与主机PC通信。

根据AN2131的存储空间和运行速度，选择51系列C语言编写固件代码。根据CYPRESS公司提供的固件程序框架，通过这个框架可以总结出自己的固件程序框架，主要包括设备描述符信息，设备功能代码，和通信控制功能代码框架如下：

（1）配置AN2131Q的外围设备信息和通信管道。下面代码完成AN2131Q的初始化后进入主循环，检测是否有主机命令，如果收到命令，置CmdFlag为TURE，处理主机命令，然后CmdFlag被置为FALSE。

    …

Initial() //AN2131Q初始化配置

While(TURE)//进入无限循环

{

    If(CmdFlag)//是否收到主机命令

    {

        SetupCmd();//执行Setup包里的命令，设备描述符信息

        CmdFlag＝FALSE；

    }

    …//CPU其他动作

}

（2）通信管道的初始化

通道即端点与PC之间建立的链路，使能通信端点。

（3）数据收发

USB设备向主机发送信息和接收主机信息都是以数据包为单位，下面以输入端点2和输出端点2为例说明数据的收发过程。

向主机发送数据：

InputEndpointInt( )

{

If((IN2CS&0x02)!=0x02)//输出缓冲区是否为空

{

    DataNum＝PacketNum；//读取数据包个数

    for(i=0;i<DataNum;i++)

    {…}// 写入缓冲区

    IN2BC＝DataNum；//设置数据包大小寄存器

}

    …

}

主机发送数据：

OutputEndpointInt( )

{

If((OUT3CS&0x02)!=0x02)//输入缓冲区是否为空

{

DataNum＝OUT3BC;//取得输入数据包大小

    for(i=0;i<DataNum;i++)

    {…}//从缓冲区读出

    OUT3BC＝0;//数据包大小寄存器清0

}

…

}

        在设备连接时，固件由专门的装载驱动程序自动装载到设备。固件捆绑在装载驱动程序之中。USB设备驱动程序给上层应用软件提供接口，一方面又直接和底层固件进行通信。USB设备的驱动程序的设计中采用了CYPRESS公司的通用驱动程序ezusbsys.sys，此通用设备驱动程序只能执行一些标准的USB设备请求和数据传输，根据本次设计的需要在这个模块的基础上进行了一些扩充，重新用WDM DDK生成驱动程序满足了设计的需要。

        本系统最终实现了DSP的USB接口，经过实验，与上位机通信的速率可达4Mbit/s，系统采用串口和上位机通信的时候速度最高才为几十kbps。速度提高了上百倍，满足了本信息采集与处理系统的要求。通过该系统的实现，证明了用USB接口实现上、下位机通信的优越性。

 

 

[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. 陈 逸译.USB大全.北京：中国电力出版社，2001

[4]  TMS320F2407A  DSP  Datasheet. TI，1999

[5]  许永和.USB外围设备设计与应用.北京：中国电力出版社，2002

 

 

作者简介：赵迎辉（1981－），男，西南交通大学信息科学与技术学院2003级研究生，研究方向