基于DSP和USB的高速数据采集与处理系统设计

在图像数据处理系统中，常常需要对高速信号进行采集与处理。例如，在光传感技术中对光脉冲散射信号的测量，在雷达工程中对电磁脉冲信号的测量等，都需要对高速信号进行采集与运算，而且此类高速信号的测量，往往对数据采集与处理系统提出严格的要求。本文设计并实现一种基于DSP和USB的高速数据采集与处理系统。该系统电路简单，可靠性好，具有一定的通用性，并且可以进行多通道扩展。

1 原理概述

基于DSP和USB的高速数据采集与处理系统的原理框图如图1所示。系统上电后，DSP、FPGA分别由各自的FLASH加载程序，采集与处理系统开始运行。在A/D变换器完成转换后由FPGA向DSP发送中断0申请信号，DSP从A/D FIFO RAM中读取数据，并进行小波变换去噪处理，处理结束后DSP向USB控制器发送中断申请信号，USB控制器将处理后的数据发送至PC机，由主机应用程序显示数据。主机应用程序还可以对整个采集、处理系统进行控制，主要设定三个功能：接收处理后的数据，接收处理前的数据，设定A/D的采样频率和采样点数。

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要分为三大部分：DSP部分、FPGA部分、USB部分。

2.1 DSP部分设计

本系统使用的DSP芯片为TI（德州仪器）公司的TMS320VC33，它是TI公司推出的性价比极高的32位浮点型数字信号处理芯片，是目前在国内外使用最为广泛的浮点DSP之一。

TMS320VC33具有以下特点：哈佛结构；流水线操作；专用的硬件乘法器；特殊的DSP指令；快速的指令周期。另外，TMS320VC33还具有强大的浮点运算能力，运算速度可达150MFLOPS（每秒百万次浮点运算），处理能力达到75MIPS（每秒百万次指令周期）。而且，它还采用3.3V I/O电压和1.8V处理器核电压使功耗降低到200mW。

DSP部分的电路设计主要是为TMS320VC33的外围电路设计。TMS320VC33的STRB0和引脚分别连接存储器的片选和使能引脚，实现程序/数据存储器的扩展；引脚接到高电平，INT2引脚接到低电平，实现上电后程序自加载；由TMS、TDI、TDO、TCK、、EMU0、EMU1等引脚组成程序下载口，以方便DSP程序调试。

2.2 FPGA部分设计

因为本系统的逻辑比较复杂，为了有效地减少硬件的体积、提高硬件系统的可靠性，这里把所有的逻辑控制电路、各种存储器/寄存器的地址译码电路都用一块超大规模现场可编程逻辑门阵列（FPGA）XC3090来实现。逻辑控制电路包括：命令寄存器、采样点数/采样频率设定寄存器、中断申请信号发生器、将A/D结果写入FIFO RAM的控制电路、USB及其FIFO和A/D FIFO状态检测电路。

2.3 USB部分设计

TMS320VC33与USB控制器AN2136SC之间通过双向FIFO 交换数据,握手信号使用AN2136SC的PC口。当USB为接收缓冲器时,DSP读,AN2136SC写;当USB为发送缓冲器时,DSP写,AN2136SC读。PC(0)～(3)用作二者的读写通道,方向可编程确定; PC(4)用于TMS320VC33向AN2136SC申请中断;PC(5)用于AN2136SC复位USB接收缓冲器;PC(6)用于USB接收器满标志,若接收器已满则禁止AN2136进一步对USB接收缓冲器写入;PC(7)用于USB发送缓冲器空标志,若缓冲器已空则禁止AN2136SC进一步对USB发送缓冲器读出。

3 系统软件设计

系统软件主要包括五大部分：DSP程序（用于A/D采样控制、数据处理、DSP与USB总线之间的信息交换）、USB总线驱动程序、USB固件程序（用于PC机与DSP之间的数据交换与处理）、主机应用程序、FPGA中对地址的译码程序和各个寄存器的实现程序。

3.1 DSP程序

DSP程序首先对DSP进行初始化（中断初始化、片外选通信号初始化、设定系统默认的采样点数/采样频率等），然后等待中断（中断0的程序主要用于对A/D数据的读取和处理，并向主机发送处理后的数据；中断1的程序主要用于分析主机的命令，针对主机的命令设定系统的采样点数/采样频率，并发送主机需要的数据）。程序框图如图2所示。

3.2 USB固件程序

固件程序代码由USB芯片集成的加强型8051单片机处理。当EZ-USB设备连接到USB口时，主机进行总线枚举，首先根据设备ID使用系统程序将固件下载到芯片内部，然后进行重枚举，固件作为用户的功能设备开始执行。CYPRESS公司提供的固件程序框架，用来完成控制传输工作和大部分的数据传输工作。本接口电路的固件程序就是基于此固件框架开发的，并使用Keil C进行编译。USB接收的DSP中断程序如下：

voidISR_IDT(void) interrupt INT0_VECT

{FASTXFR = 0x40;使能快速传模式

AUTOPTRL=LSB((WORD)&IN4BUF);将自动指针指向端点4缓冲器

AUTOPTRH=MSB((WORD)&IN4BUF);

for(i=0;i<64;i++)

{AUTODATA=ACC};接收数据

FASTXFR=0x0;

IN4BC=64;发送数据大小

EZUSB_IRQ_CLEAR();

IN07IRQ=bmEP4;使能端点4}

3.3 主机应用程序

为了实现与驱动程序的通信，应用程序首先创建一个事件和一个线程，然后将事件句柄传递给WDM，用线程等待WDM发送的事件消息，接收到事件消息后，就读取驱动程序的数据，显示数据。

在Windows中，Win32应用程序调用的API函数有五个：CreateFile()、ReadFile()、WriteFile()、DeviceIoControl()和CloseHandle()。

应用程序为打开一个WDM设备驱动程序，使用CreateFile()函数。它的第一个参数是一个符号链接名。如果用DriverWorks创建一个WDM驱动程序，通常会用类KUnitizedName生成一个设备符号链接名。这个名字的后面有一个数字，一般是一个0。例如，若符号链接名为L“USBDevice”，则传递给CreateFile()的是“.USBDevice0”。

一旦应用程序获得设备的有效句柄，它就能够调用Win32函数，这将产生对应于此设备对象的相应的IRP，发送给驱动程序，完成相应功能。

有关代码如下：

HANDLE hDevice hDevice= CreateFile(“.USBDe-vice0”,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, NULL,OPEN_EXISTING,

FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,NULL);//打开设备句柄

ReadFile(hDevice,buf,n,&nRead,NULL);//读操作

4 试验结果

本系统软硬件调试均已成功，图3为CCD在半遮挡情况下原始信号的波形。本系统还可以采集和处理图像信号（例如CCD面阵信号）。

本文提出了一种基于DSP和USB的高速数据采集与处理系统，详细地介绍了系统的硬件和软件设计方法。经使用验证，系统很好地实现了对CCD信号的采集和处理。利用一块超大规模现场可编程逻辑门阵列，减小了PCB板的制作空间并且大大地增加了系统的可靠性；使用DSP处理器，提高了数据的传输速度和处理速度，进而保证了系统的实时性；由USB主控制器完成与PC机的通信，具有热插拔、易于使用、传输速率高等特点；而且整个系统构成合理、实现方法简单、具有实用价值。