基于DSP的USB转存系统设计.doc

1、 课 程 设 计 说 明 书 题 目： 基于 DSP 的 USB 转存系统的设计 课 程： DSP 原理及应用课程设计 院 （部）： 信息与电气工程学院 专 业： 通信工程 班 级： 通信 071 学生姓名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 2010 年 7 月 山东建筑大学信息与电气工程学院学院课程设计说明书 I 目 录 摘要 II 1 设计目的 1 2 设计要求 1 3 设计内容 1 3.1 理论依据 1 3.2 方案设计 3 3.3 器件选择 3 3.4 系统设计 5 3.4.1 对 CY7C68001 寄存器的写操作 6 3.4.2 对 CY7C68001 寄存器的读操作 7 3.5

2、 软件设计 9 3.5.1 固件设计 9 3.5.2 总线设计 9 3.5.3 主机软件设计 10 3.6 整体调试 11 总结与致谢 12 参考文献 13 山东建筑大学信息与电气工程学院学院课程设计说明书 II 摘 要 随着科学技术的不断发展，各种芯片的处理速度的大幅度提高，对数据采集处理的精度和速度的要求也大大提高，现在的高 DSP速数据处理和 CPLD在系统上的灵活应用，使得数据采集处理系统的精度高、速度快、 工作更有效。影响数据采集处理系统实时性一般有两个因素：一个是系统对数据的处理速度，它主要指系统对信号进行数字信号处理的速度；另一个就是数据的传输带宽，即数据采集模块和计算机之间数据

3、的传输速度 。本次课程设计的题目是基于 DSP的 USB转存系统的设计。基于 DSP的 USB转存系统是利用DSP实现数据的采集和运算处理，处理结果通过 USB口送计算机显示分析。 DSP具有快速的运算速度和强大的数据处理能力，特别适合与数字信号处理。 USB是最重要的计算机外设互联网标准，若原始信号是模拟信号，则需要经 AD转换为数字信号，再送 给 DSP运算处理。本设计的关键是实现 DSP的数据采集运算和 USB的接口问题。在本次设计中要求实现一个能将采集的数据通过 USB接口转存的系统。该系统的 DSP负责数据的采集和运算处理，采集数据可以根据自己的需要假定（如温度、流速等），处理结果通

4、过 USB口送计算机显示分析。 关键词 ： DSP； AD 转换； 模拟信号 ； 转存系统 山东建筑大学信息与电气工程学院学院课程设计说明书 1 1 设计目的 本 课程 设计 基于 DSP 的 USB 转存系统的设计 的目的是要实现一个能将采集的数据通过 USB 接口转存的系统。该系统的 DSP 负责数据的采集和运算处理，采集数据可以根据 自己的需要假定（如温度、流速等），处理结果通过 USB 口送计算机显示分析。通过 USB 送计算机的方式自己选择，可以使通过 U盘转存，也可以是使 DSP 系统本身就是一个 USB 从设备，直接接到计算机的 USB 主机接口上进行通信。 根据设计题目的要求，

5、选择确定 DSP 芯片型号、 USB 控制芯片型号，完成系统硬件设计，实现数据转存。 2 设计要求 要求如下： 根据设计 需 求 对 系统功能 进行分析 ，掌握设计中所涉及到的 DSP 技术、USB 通信技术，阐明设计原理 ； 确 定系统功能框图，画出系统结构框图，并对系统中各部分功能进行说明 ； 根据设计要求及 已知参数进行需求分析，选择确定 DSP 芯片型号、 USB 控制芯片型号 ； 根据系统结构框图及器件选型画出系统原理图 ； 根据系统原理图进行 PCB 板布局设计 ； 根据硬件设计的结果设计系统的软件流程。设计要求实现一个能将采集的数据通过 USB 接口转存的系统 ； 该系统的 DS

6、P 负责数据的采集和运算处理，处理结果通过 USB 口送计算机显示分析 ； 通过 USB 送计算机的方式自己选择，可以使通过 U 盘转存，直接接到计算机的 USB 主机接口上进行通信 ； 选择确定 DSP 芯片型号、 USB 控制芯片型号，完成系统硬件设计 。 通过上述的设计将所采集的数据通过 USB 接口转存，以实现数据的转存。 3 设计内容 3.1 理论依据 在这次设计中，系统的功能主要是实现将采集的数据通过 USB 接口转存。其中涉及到的有关 DSP的技术有数据的采集和运算处理以及处理结果通过 USB接口送计算机分析等技术。设计原理是 DSP 具有快速的运算速度和强大的数据处理能力，特别

7、适合与数字信号处理。 USB 是最重要的计算机外设互联网标准，若原始信号是模拟信号，则需要经AD转换为数字信号，再送给 DSP 运算处理。若是数字信号则可直接进行处理运算。本设计的关键是实现 DSP 的数据采集运算和 USB 的接口问题。 山东建筑大学信息与电气工程学院学院课程设计说明书 2 DSP 与 USB 的特点 1.DSP DSP 芯片，又称为数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理的微处理器，采用它能满足系统计算量大的要求。它的主要特点是 : (1)它内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令和取操作数；(2)芯片内多采用分离的总线结构，这样可保证一个极

8、其周期内可以多次访问程序空间和数据空间； (3)采用流水线结构，在程序运行中取指、译码、取操作数和执行阶段是重叠的； (4)芯片内部一般都包括多个处理单元，它们可以在一个指令周期内同时进行运算； (5)DSP 数字系统中设置了一些特殊的 DSP 指令，能更好地满足数字信号处理应用的需要； (6)指令周期短，如 TMS320F240 的指令周期可达 50ns； (7)硬件配置强，接口功能强，片内具有串行口、主机接口、 DMA 控制器、锁相环时钟产生器和在片仿真测试访问口等。 2.USB USB(通用串行总线 )协议是一些 PC 大厂商为了解决日益增加的 PC 外设与有限的主板插槽之间的矛盾而制定

9、的一种串行通信标准。 USB 接口是一个快速的、双向的、同步的、低成本的、动态的串行连接接口，支持主机和并发存取外设之间的数据交换。所连的外设通过主 机调度和基于令牌的协议共享 USB 带宽。 USB 的主要优点有 : (1) 传输速度快， USB 1.1总线协议规定的最高传输速度为 12Mb/s，比一般的 PC机外置端口都快，而在 USB2.0总线协议里，定义的最高传输速度已经达到了 480Mb/s，可以满足包括视频设备在内的多种外部设备数据传输的需要； (2) 设备配置和安装容易，所有的 USB 设备支持热拔插，系统对其进行自动配置； (3) 能够采用总线供电，总线可以提供最多 500mA

10、 的电源，对于一般的小型外设可以通过总线供电，不需要外部电源； (4) 易于扩展； (5) 使用灵活， USB 共有 4 种传输模式 :控制传输、同步传输、中断传输、块传输，以适用不同的设备的需要； (6) 容错性强， USB 协议规定了对各种可能遇到的错误的处理和恢复机制，保证了数据传输的正确性，同时，对设备的热拔插处理迅速且不影响系统的正常工作； (7) 实现成本低， USB 对系统与 PC 的集成进行了优化，适合于开发低成本的外设。 山东建筑大学信息与电气工程学院学院课程设计说明书 3 3.2 方案设计 根据设计要求确定系统功能框图，画出系统结构框图，并对系统中各部分功能进行说明。建议使

11、用 Visio 等软件绘制框图。 利用 DSP的强大的数据处理功能 ,可以 将采集到的数据经过 DSP进行快速复杂的处理 , 传输给 USB控制器 , 接着由后者驱动 USB接口以将数据传给外部器件 ; USB控制器通过 USB接口接收外部器件传来的信息 , 然后再把它们转发给信号处理系统。结构框图如图 1所示。 图 1 信号处理系统的 USB接口扩展框图 3.3 器件选择 根据设计要求及已知参数进行需求分析，选择确定 DSP 芯片型号、 USB 控制芯片型号。 在以 TMS320F2812 DSP为核心的嵌入式系统中 , 由于处理器的速度快 (主频可达 150 MHz),处理的数据量大 ,

12、使用 USB1.1及其它内嵌微处理器的总线控制器已经不能满足数据吞吐率的要求。因此 , 本设计选用的是 Cypress公司生产的不含微控制器的 USB2.0 总线接口控制芯片 CY7C68001。 1 CY7C68001芯片 CY7C68001可用来连接微处理器或 DSP 的 DMA从装置 , 该芯片内部不含微处理器 , 但它集成有 USB2.0收发器 (物理层 )、 USB2.0串行接口引擎 SIE (链路层、实现底层通信协议 )、 4 kB的 FIFO和电压调节器、锁相环等 , CY7C68001可以支持高 速 (480 Mb/s) 或全速 (12 Mb/s) 传输 , 采用 3.3 V操

13、作电压和 24 MHz外部振荡频率 , 可以选择 8位或 16位总控 制 系 统 DSP USB 控制 器 USB接口 外部器件 山东建筑大学信息与电气工程学院学院课程设计说明书 4 线方式 , 具有同步与异步的 FIFO接口。 CY7C68001可以向用户提供足够的端口、缓冲区和传输速度 , 并可提供 USB2.0协议要求的全部 4种传输方式 (控制传输、中断传输、批量传输和同步传输 ), 可以满足用户对各种类型数据传输的需求。其片上的串行接口处理器 (SIE) 能完成大部分 USB协议操作 , 使用户可以摆脱复杂的协议细节 , 简化用户配置代码 , 加快程序开发过程。但是 , 由于 采用的

14、是不带 MCU内核的 USB接口芯片 , USB 的应用层协议应该由 TMS320F2812编程实现 , USB固件的加载必须靠 DSP控制 CY7C68001来完成。 2 TMS320F2812 DSP芯片 TMS320F28x是 TI新推出的 TMS320F2000系列中的高端 DSP系列，具有 32位的寻址能力 和运算能力。 TMS320F2812是该系列中性价比较高的一款 DSP芯片，具有运行速度快、外设集成度高、存储空间大、 A /D转换速度快、转换精度高等特点，它为工业控制尤其是电机数字化控制提供了一种低成本、高性能 的解决方案。其结构如图 2所示，其特点如下： (1) 高性能 c

15、pu。 (2) 存储器访问子系统。无论是在 RAM还是在 FLASH中，程序都能以非常高的速度运行； 100-120MIPS的 FLASH访问速度 (3) 控制端口。事件管理器 A、 B双事件管理器；高速 12位的模数转换器； 12.5MIPS的转换速度；双采样 /保持实现两路同步采样；自动排序，最多支持 16个采样通道。 (4) 通信端口。多通道缓冲串口（ McBSP）； CAN2.0B总线接口； SCI口； SPI口。 山东建筑大学信息与电气工程学院学院课程设计说明书 5 图 2 TMS320F2812结构框图 3.4 系统设计 根据系统结构框图及器件选型画出系统原理图，使用 Protel

16、 等软件。 TMS320F2812与 CY7C68001的互连 该设计将 CY7C68001配置在 TMS320F2812的 Zone0空间 , 并采用 CY7C68001的异步读写方式来完成二者之间的数据和命令交换。其接口原理电路如图 3所示。 外 围 总 线 128k 16 FLASH 18k 16 RAM 4k 16 BootROM 存 储 器 总 线 中 断 管 理 事件管理器 EA 12 位模数转换器 看门狗 通用输入输出端口 多通道缓冲串口 McBSP CAN2.0 串口通信接口 SCI 增强器串行接口 山东建筑大学信息与电气工程学院学院课程设计说明书 6 U1 U0 CY7C68

17、001除了带有存储器接口外 , 还有一个中断信号 USBINT和 4 个状态信 (READY、FLAGA、 FLAGB和 FLAGC) 。中断信号 USBINT占用 TMS320F2812 的外部中断 XINT1, 状态信号 READY、 FLAGA、 FLAGB和 FLAGC则可配置在本系统的状态寄存器 0 ( sysstat0) 中 , 并可由 TMS320F2812 查询。本接口设计由于采用了 CPLD, 因而增强了系统的灵活性和可扩充性。 3.4.1 对 CY7C68001寄存器的写操作 通过 TMS320F2812对 CY7C68001的寄存器进行写操作的上体过程如下 : (1) 将

18、 TMS320F2812对 I/O空间访问的等待周期设为 7； (2) 通过检查系统状态寄存器 0 (sysstat0) 位 2(USBRDY) 等待 CY7C68001的 Ready线变高 ； (3) 寻址 CY7C68001命令口 (最低 3位地址必须为 100B), 将 10xx, xxxxB写命令字写入命令寄存器 (xx, xxxxB代表需寻址的寄存器的子地址 )； (4) 通过检查系统中的状态寄存器 0 (sysstat0)的位 2 (USBRDY) 来等待 CY7C68001的Ready线变高 ; (5) 寻址 CY7C68001命令口 (最低 3位地址必须为 100B), 将 0

19、xxx, D7D6D5D4B数据的高 4位命令字写入命令寄存器 (D7D6D5D4B代表要写入的数据的高 4位 ); (6) 通过检查系统中的状态寄存器 0 (sysstat0)的位 2 (USBRDY) 来等待 CY7C68001的XINTI X2CSO (7) 寻址 CY7C68001命令 (最低 3位地址必须为 100B), 将 0xxx, D3D2D1D0B数据低 4位命令字写入命令寄存器 (D3D2D1D0B代表要写入的数据的低 4位 )。 3.4.2 对 CY7C68001寄存器的读操作 CY7C68001 有两个外部接口 : (1) 命令接口 :用来访问 CY7C68001 寄存

20、器、 Endpoint 0缓冲器 ,以及描述表。 (2) FIFO数据接口 :用来访问 4个 1K字节的 FIFO中的数据。这两个外部接口均可以通过同步或异步的方式进行访问。本设计采用异步的方式进行访问。根据图 3 的地址分配 ,利用 TMS320VC5416 的三根高位地址线 (A11、 A12、 A13)连接 CY7C68001 的 FIFOAD0/1/2,用以选择 FIFO2、 FIFO4、 FIFO6、 FIFO8以及命令接口 ,其地址表如图 3所示。 CY7C68001的地址线 FIFOADR2:0为 100B 时 ,选中 CY7C68001 的命令口（ Command）。通过 CY

21、7C68001的命令口 ,可以访问 37个寄存器、 Endpoint 0缓冲器（ 64个字节 FIFO）和描述表（ 500个字节 FIFO）等 ,对这些寄存器进行读写方式采用二次寻址方式 ,即首先通过命令口将要寻址的寄存器的子地址和操作类型（读或写）写入 ,然后再通过命令口将数据读出或写入相应的寄存器。 Address /Selection FIFOADR2 FIFOADR1 FIFOADR0 FIFO2 0 0 0 FIFO4 0 0 1 FIFO6 0 1 0 FIFO8 0 1 1 COMMAND 1 0 0 RESERVED 1 0 1 RESERVED 1 1 0 RESERVED 1 1 1 表 1 FIFO地址表 写入命令口的内容称为命令字 ,命令字包含要寻址的寄存器的子地址 ,或要写入寄存器的数据的高 4位或低 4位。读命令口必须要跟在给命令口写读命令字之后 ,读出的为相应寄存器的 8位数据。所以 ,寄存器的写操作由 3 个步骤组成 : (1) 将写命令字写入命令口