基于DSP的USB接口数字采集与显示系统设计

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1、1404．DSP技术的开发应用4．12基于DSP的USB接口数字采集与显示系统设计赵敬王俊李蒙北京航空航天大学电子信息工程学院，北京10008摘要：本文介绍了以DSP和FPGA为核心的USB接口的数字采集与显示系统设计．本系统包含了数据采集卡．必须的AD和D^转换模块，另外提供了多种外部接口．利用USB2．0接口建立与PC之阎的通信，用DSP作为微控制器控制USBHUB芯片，为板卡扩展了HUB接口，加宽了系统应用范围．关键字：数字信号处理、可编程现场门阵列、通用串行总线、模数转换一、引言现代工业生产和科学研

2、究对数据采集的需求日益增多，特别是信号测量、图像处理等多种场合中，数据采集更是各项分析处理工作的基础。现在通用的数据采集卡一般多是PCI接口与计算机(Pc)通信，这种通信接口存在以下缺点：安装麻烦、价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差。通用串行总线USB是1995年康柏、微软、mM、DEC等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于USB的数据采集系统充分利用USB总线的上述优点，有效解决了传

3、统高速数据采集卡的缺陷。本设计采用Cypress公司68013USB接口控制芯片，结合FPGA和DSP芯片完成数据采集系统设计。二、系统整体设计系统设计采用通用数据采集板卡的常用模式，包含数模转换模块，微控制器和接口模块。整个板卡利用FPGA协调和控制各个模块时序，使得微控制器可以通过FPGA将多个外设模拟通道映射到其I／O设备空间进行访问，大大增强了微控制器访问外设的能力，提高了整个系统数据采集的速率，同时为外国设备的扩展提供了有效的新途径。系统的A／D、数字I／O的设计沿用传统了的设计方法，根据采集的精

4、度、速率、通道数等诸元素选择合适的芯片，设计时充分考虑了芯片的抗干扰的性能。对于微控制器的选择，主要根据板卡实际使用功能要求。在本设计中选用TMS320C5402DSP芯片。这个系列DSP具有很高的操作灵活性和速度。它具有一个先进的修正哈佛结构、专门硬件逻辑的CPU、片内存储器、片内外设和专门指令集。C54x系列提供了许多外设接口：两个通用I／O口、主机通信接口(HPI)、4种串口，可以满足众多领域的使用要求。除了与PC通信的USB接口外，为了扩充系统功能，系统还提供了其他的一些外设接口。比如：键盘接口、液

5、晶显示接口和USB的HuB接口。图1系统整体框图全国第：竺篙主署囊釜理联合学术会议敞集Ⅲ三、模数模块MAXlll0是低功耗、8通道的模数并行8位(A／D)转换芯片。八个模拟通道支持软配置。可以根据用户要求配置利用芯片内部控制字把模拟信号配置成单极性、双极性、单端或差分信号，以及芯片工作在全功耗模式还是低功耗模式。MAXlll0首先通过cs置低完成片选，然后通过DIN端口向控制器发出控制字，配置芯片工作模式。控制器回复3个字节。第一个字节忽略不要，第二和第三个字节联合起来，去掉两个连0的字头和六个连0的字尾，

6、就是转换结果。下图是MAXIll0的经典连接图，REFOUT和REFIN联起来接地，表示采用内部参考电压2．048v。ANALoGlNFtlTS+：ⅣCHOV∞．。lv0DAGND字uF[)GNDcPUCH7C洲—H■Da朋MAX77∞确AxllllRE川溢I∞CrVCV．3L-I～bF,JREFINDINh{0StSo)00lJTl^lcrf(I．n¨、p’I)Il销TRB研丽Yss图2MAXIll0典型电路在本系统中，MAXlllO的控制引脚是与FPGA连接，即FPGA就是图中的CPU。利用VHDL编程

7、语言可以方便地实现MAXIllO的控制时序，并且可以在FPGA内部开辟存储空间暂存转换数据。通过MAXlll0转换得到的数据信号有三个去路：一是通过USB接口发送到PC机，等待PC对数据的进一步处理和存储；二是直接送到外设显示器显示；三是经过数模转换(D／A)转换从端口输出。MAX507是12位DA转换芯片，它同样具有外围电路简单的优点。它的四个控制引脚CSMSB、CSLSB、MR和LDAC连接到FPGA，通过编程完成转换时序。微处理器和接口模块数据采集板的处理器是TMS320C5402。该芯片是TI公司T

8、MS320C54x系列的定点DSP芯片，主要应用在通信、数据采集等系统中。TMS320C5402DSP芯片内带16K字节的RAM，其中一部分用来运行程序，另外一部分可以用来存储临时数据，片内的RAM存储器不能满足数据存储容量的要求，因此在采集板上还要扩充一部分SRAM。此采集卡上使用的SRAM芯片为IDT71V016。此芯片是IDT公司生产的16位64K字节的静态RAM存储器，采用CMOS工艺，具有低功耗模式的功