（电路与系统专业论文）基于usb的数据采集系统的研究.pdf

山东大学硕士毕业论文 中文摘要 目前，随着信息化技术的飞速发展，计算机已进入千家万户和几乎所有的办 公场合，各种便携式电子产品不断涌现，计算机的外设种类越来越多，传统的外 设接口以p c i 、r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 和s c s i 为主，它们的一个共同特点是需要占用主 板上有限的接口资源。因此，这些外设与计算机之间有一个简单可靠经济的连接 是非常必要的，这足u s b 接口出现的原因之一u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义是。通用串行总线”。它是一种应用在p c 领域的新型接口技术。 早在1 9 9 5 年，就已经有p c 机带有u s b 接口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持， 这些p c 机的u s b 接口都闲置未用。1 9 9 8 年后，随着微软在w i n d o w s 9 8 中内置了对 u s b 接口的支持模块，以及u s b 设备的日渐增多，u s b 接口逐步走进了实用阶段。 与此同时，许多工程实践中的采集处理装置对速度和体积的要求也越来越 高，单片机作为核心处理器难以满足实时性的要求，因此，寻求合适的处理器已 成为目前采集处理系统的当务之急。专门为高速数字信息处理而设计的数字信号 处理器( d s p ) 已成为数字化领域的重要角色，d s p 的高速度和良好的运算性能 特别适合于数据运算及处理。 本文开发了一种基于u s b 总线的数据采集系统，该系统克服了传统设备连接 复杂、功能单一、成本较高的缺点，具用小型化、高集成、即插即用n p ) 的特点。 论文在论证了系统的可行性。介绍了系统芯片的选择和工作原理的基础上详细 论述了系统的设计方案，具体包括软硬件设计两方面的内容 硬件电路由d s p 和u s b 芯片的外围电路、d s p 和u s b 芯片之间的接口电路两 大部分组成；所有电路采用d x l r 2 0 0 4 绘制原理图及p c b 板图，并制成电路板 本数据采集处理系统采用d s p 和c p l d 为核心的硬件结构，完成了从输入的 模拟信号中采集数字信息并对其进行快速预处理的功能，利用u s b 2 0 总线实现了 系统和计算机之间的实时通信方案采用u s b 2 0 总线与计算机交互，d s p 和c p l d 协同完成数据的采集及预处理采用了双电源设计，系统可直接从u s b e i 取电， 也可以使用外部电源，保证了系统的稳定性在p c b 板上使用简单电平数据进行 i e 山东大学硕士毕业论文 试验，验证了系统的可行性 软件设计由固件程序设计、驱动程序设计和应用程序设计三部分组成，固件 程序设计的平台为t i 公司的c c sv 2 0 ，驱动程序和应用程序设计的平台为v i s u a l c + + 6 0 ，辅助开发工具为d r i v e r s t u d i 0 3 0 和w i i l 2 0 0 0d d k 。 本文程序的核心为固件程序和u s b 的驱动程序。u s b 驱动程序属于标准的 w d m 驱动程序。本文较为详细的介绍了固件程序以及u s b 的w d m 驱动程序的设 计流程和方法，并给出了几个例程。 最后，提到了调试过程中遇到的一些问题和解决问题的建议。 本文设计的系统具有体积小、速度快、操作灵活、即插即用的特点，为u s b 接口在以d s p 器件为核心的系统中的应用提供了一些有价值的参考 i v 关键词：u s b 2 0 ，w d m ，d s p ，c p l d ，即插即用，数据采集 山东大学硕士毕业论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rh a v e c o m ei n t ot h ef a m i l y , a l lk i n d so f p e r i p h e r a le q u i p m e n t sa r ec o m i n gf o r t h t r a d i t i o n a l i n t e r f a c e so fp e r i p h e r a le q u i p m e n t sa r cm a i n l yp c i ，r s - 2 3 2 ，r s - 4 8 5a n ds c s i t h e y h a v eas a m ep e c u l i a r i t yt h a ti se a c he q u i p m e n tn e e da ne x c l u s i v ei n t e r f a c eo n m a i n b o a r do fc o m p u t e r t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt h a tt h e s ep e r i p h e r a le q u i p m e n t s h a v eas h a r ei n t e r f a c e a tt h et i m e ，t h ea d v a n t a g eo f u s b ( u n i v e r s a ls e d e s8 u s ) w a s c o m i n gf o r t h u s bi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yb a s e do np c i n1 9 9 5 ，s o m ep ch a d c o m ef o r t hw i t hu s bi n t e r f a c e b u ts o f ta n dh a r dd e v i c es u p p o r t i n gu s bi s $ c a r e e a f t e r1 9 8 8 ，w i t hs u p p o r tf r o mw i n d o w s9 8a n dm o r eu s bd e v i c e s ，u s bi n t e r f a c e w a sc o m i n gi n t op r a c t i c a l i t ys t e pb ys t e p s i m u l t a n c o u s l y , t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s p ) s p e c i a l l yd e s i g n e df o r h l g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi sp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed i g i t a lf i e l d , a n dd s pw i t hh i g hp r o c e s s i n g s p e e da n de x c e l l e n to p e r a t i o np e r f o r m a n c ei s p a r t i c u l a r l ya d a p t e d t or a p i dd a t ap r o c e s s i n g t h ec o n t e n td e s i g n sak i n do fd a t ap r o c e s ss y s t e mb a s e do nu s ba n dd s et h e s y s t e mg e to v e rd i s a d v a n t a g eo fc o n n e c t i o nc o m p l e x i t y , f u n c t i o ns i n g u l a r i t ya n dc o s t u p p e ro nt r a d i t i o n a ld e v i c e i th a st h ea d v a n t a g eo fm i n i a t u r i z a t i o n , h i g hi n t e g r a t i o n , p l u ga n dp l a y t h et h e s i sa n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h e m e a n so ft h ec h i ps e l e c t i o n , a n df u r t h e rm o r e ，b r i l l gf o r w a r dac o m p l e t es e to f s c h e m e s , o nt h i sf o u n d a t i o n , 彻f i l l st h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o nw i t ht h eu s b a n dd s p t h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o ni n c l u d e sp e r i p h e r a lc i r c u i t so fd s pa n du s bc h i p , i n t e r f a c ec i r c u i t sb e t 、m nd s pa n du s b c h i p , e t c 一 t h eh a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d ep e r i p h e r a lc i r c u i t so fd s pa n du s bc o n t r o lc h i p a n di n t e r f a c ec i r c u i t sb e t w e e no ft i mb o t h a l lc i r c u i t sa n dp c bw e r ep r o t r a c t o d 、“t h p r o t e ld x p t h es o l 6 t w a r ei n c l u d e sf i r m w a r e ，d r i v e rp r o g r a ma n da p p l i c a t i o np r o g r a m f i r m w a r ew a sc o m p i l e dw i t hc c sv 2 0o ft 1 ，a n dd r i v e rp r o g r a ma n da p p l i c a t i o n v 山东大学硕士毕业论文 p r o g r a mw i t hv i s u a lc + + 6 0a n dd r i v e r s t u d i 0 3 0a s s i s t a n tt o o l s n 碡d a t ac o l l e c t i o na d o p t su s b 2 0i n t e r f a c e a n dr e g a r d sd s pa n dc p l da s c o r e so fh a r d w a r c i t sf u n c t i o ni n c l u d e sc o l l e c t i o na n dp r o c e s so fd i g i t a li n f o r m a t i o n f r o ma n a l o gs i g n a l rr e a l i z e sd a t ab i d i r e c t i o n a la n dr e a l - t i m et r a n s m i s s i o nb e t w e e n p ca n dt h ed e v i c eb yu s b 2 0i n t e r f a c e f i n a l l y , s o m eq u e s t i o n sa n dt h em e a n s s e t t l i n gt h e mi nt h ec i r c u i td e b u g g i n ga r cr e f e r r i n gt o ，a n ds o m ep r o p o s a l sf o rt h e a d v a n c e do p t i m i z e ds y s t e ma r co f f e r e da sw e l l w i t ht h ev i r t u e so fb e i n gs m a l l f a s t , f l e x i b l ea n dp n p ( p l u ga n dp l a y ) , t h i st h e s i s o f f e r sv a l u a b l er e f e r e n c e sf o ru s bi n t e r f a c et oa p p l i c a t i o ns y s t e m st h o s er e g a r dd s p a s l 它s v l k e y w o r d s ：u s b 2 0 ，w d m , d s p ，c p l d ，p r l p ，d a t ac o l l e c t i o n 山东大学硕士毕业论文 符号说明 u s b ( u n i v e r s a ls e r i e sb u s ) ：通用串行总线 w d m ( w i n d o w sd r i v e r m o d e l ) ：w i n d o w s 驱动模式 _ i r p ( i 0r e q u e s tp a c k a g e ) ：l g o 请求包 u r b ( u s br e q u e s tb l o c k ) ：u s b 请求块 p d o ( p h y s i e a ld e v i c eo b j e c t ) ：物理设备对象 f d o ( f u n c t i o n a ld e v i c eo b j e c t ) ；功能设备对象 u s b d i ( u s bd r i v e r1 n 1 e 砌a c e ) ：u s b 驱动程序接口 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ：数字信号处理器 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ：复杂可编程逻辑器件 s r a m ( s t a t i cr 耵l d o m a c c e s sm e m o r y ) ：静态随机存储器 v h d l ( v e r y - h i g h - s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ： 甚高速集成电路硬件描述语言 p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) ：锁相环 h p i ( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) ：主机接口 b s p ( a u t o - b u f f e r e ds e r i a lp o r t ) ；自动缓冲串口 d r i v e r s t u d i o ：一种w i n d o w s 设备驱动开发工具 d d k ( d e v i c ed e v e l o p m e n tk i t ) ：设备开发包 c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ：代码设计平台 a s i c ：专用集成电路设计 e d a ：电子设计自动化 s w w s r ：软件等待状态寄存器 b s c r ：块切换状态寄存器 s p ：堆栈指针 d p ：数据指针寄存器 p m s t ：处理器模式控制寄存器 c l k m d ：时钟模式寄存器 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：么畔日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签弛导师签名 山东大学硕士毕业论文 1 1 课题的提出和意义 第一章绪论 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义是”通用串行总线”。它 既是一种新型接口技术，也是一种主流接口技术。传统的接口技术对计算机的 硬件资源具有独占性，制约了计算机功能的扩充，u s b 克服了这种缺点。1 9 9 8 年后，u s b 接口以其较高的数据传输速率和即插即用的优势逐步发展为计算机 的标准配置。最新推出的p c 机几乎1 0 0 支持u s b ；使用u s b 接口的设备也 与日俱增，例如数码相机、扫描仪，游戏杆、磁带和软驱、图像设备、打印机、 键盘、鼠标等等。 u s b 设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点： - 可以热插拔，告别“并口和串口先关机，将电缆接上，再开机”的动作。 系统总线供电，低功率设备无需外接电源，采用低功耗设备，并可提供 5 v 5 0 0 m a 电源。 支持设备众多，支持多种设备类，例如鼠标，键盘，打印机等。 - 扩展容易，可以连接多个设备，最多可扩1 2 7 个。 高速数据传输，u s b i 1 是1 2 m i d s ，u s b 2 0 高达4 8 0 m b s 。 _ 方便的设备互连，u s bo t g ( o n - t h e - g o ) 支持点对点通信，例如数码相 机和打印机直接互连，无需p c 当然，u s b 设备也有其缺点，包括： 供电能力，如果外设的供电电流大于5 0 0 m a 时，设备必须外接电源。 _ 传输距离，u s b 总线的连线长度最大为5 m 。即便是用h u b 来扩展， 最远也不超过3 0 米。 随着信息化技术的飞速发展，各种便携式电子产品和个人助理不断涌现，但 是，许多工程实践中的采集装置有着自身的不足，采集装置的复杂化，数据处理 系统的造价及体积都成为限制数据采集技术应用的瓶颈。u s b 接口技术与p c i 或 i s a 总线接口技术比起来，以其即插即用和较高的数据传输速率迅速成为这些电 山东大学硕士毕业论文 子产品的主流接口技术。 随着微电子技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展，数字化技术已广泛深 入地应用于现代国防、现代科技和国民经济的各个领域，在社会活动和个人生活 中都随处可见其形影在这种趋势下，d s p ( d i g i t a ls i g n a ip r o c e s s o r ) 的应用在 科技、国防、国民经济中逐渐占据了重要地位。d s p 技术成为当今电子技术一个 重要分支。 d s p 应用技术作为一门正在兴起的技术，有着广泛的应用前景。其应用已 扩展到人们工作、学习和生活的各个方面，在语音识别、雷达跟踪、图像处理、 通信系统、系统控制、电力系统、故障检测等众多领域中占有了一席之地。d s p 芯片在高速信号处理方面具有速度快、运算性能好的突出优点，每秒可以进行 上百万次运算，内部采用改进的哈佛结构，使得微处理器的并行处理能力大大 增强。d s p 的出现，为数据的快速处理提供一个有力的保障。与此同时，u s b 总线技术也发展为p c 机的标准接口总线，并以其连接简单，速度较快的优势成 长为一种主流接口总线。本课题的提出就是结合d s p 的优势，利用u s b 2 0 总线 取代传统p c i ，r s 2 3 2 接口，对原有的数据采集系统进行升级改进。选择此项 目作为研究课题，希望能将u s b 技术融入到系统中，尽快地将数据采集设备的 科研成果硬件化、产品化，推动相关研发项目的产业化进度。 本课题设计的数据采集处理系统具有体积小、成本低，编程灵活、即插即 用的特点，对于数据速率小于2 m 的应用具有通用性 1 2 课题的研究内容 本课题研究如何以u s b 2 0 总线实现数据采集系统与计算机的通信交互，并构 建实验系统。这些核心组件包括d s p ，u s b 接口芯片、c p l d 、a d 转换芯片、存 储器( s r a m ，f l a s h ) 等。本文的侧重点为u s b 2 0 总线接口的设计大致概括如 下：数据存储及预处理，u s b 周件和u s b 的w d m 驱动程序本文的主要内容为： ( 1 ) 对系统的可行性进行分析论证，绘制系统原理图和p c b 版图、完成p c b 板的制作。 ( 2 ) 在t i 公司c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 环境下利用c 语言和汇编语言完成 了u s b 芯片的固件程序。在v c + + 平台下，利用d r i v e r s t u d i o 开发工具完成了u s b 2 山东大学硕士毕业论文 的w d m 驱动程序的编写。实现了系统与p c 机之间的数据传输和指令交瓦。 ( 3 ) p c b 板的调试。 1 3 论文的章节安排 本论文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章概括论述了基于u s b 2 0 和d s p 的数据采集系统的提出和意义，并对所 要研究的内容进行了简单说明。 第二章主要从全局出发探讨了本系统的可行性分析、需求分析、系统硬件设 计原理及框图。阐述了主要器件的选型依据，及其基本特点。 第三章详细介绍了系统的硬件电路连接，包括u s b 接口芯片与d s p 的附属电 路设计及其通信接1 2 1 设计、d s p 芯片与外部扩展存储器的接口设计 第四章详细介绍了系统的初始化程序设计，u s b 接1 2 1 的固件程序设计和 w d m 驱动程序设计。对其方法和原理作了较为详细的阐述。 第五章总结了本文涉及的主要内容，给后续改进提出了一点建议。 3 山东大学硕士毕业论文 第二章系统的总体设计方案 2 1 系统总体设计分析 2 1 1 系统的可行性论证 u s b ( 通用串行总线) 接口的出现，是计算机接口技术的一次革命，它与 传统接口相比较，具有连接简单，速度快，即插即用的优点。现在已发展为移 动存储，数码相机，m p 3 等设备的标准接口，甚至是唯一接口。其串行总线的 特点也克服了传统外设独占计算机接口的缺点。 d s p 技术是当前一种比较热门的硬件技术，在图像处理、语音分析、智能 仪器等领域得到了广泛的应用，d s p 芯片内部采用程序空间和数据空间分开的 哈佛结构，具有专门的硬件乘法器、采用流水线操作，并提供特殊的指令，所 以能快速地实现各种数字信号处理算法，是一种复杂指令集的微处理器。同时， d s p 提供了汇编语言和a n s ic 语言两种开发平台，开发效率比较高。 c p l d 技术就是利用门阵列代替通常的r r l 电路来实现各种逻辑控制。在软 件平台的支持下，可进行功能仿真和在系统编程( i s p ) ，从而简化硬件的设计 和调试工作，缩短开发周期。 综上所述，以d s p 和c p l d 为核心构建硬件，采用u s b 接口与计算机通信， 来开发整个系统是可行的。 系统需求分析 根据系统结构设计的要求，整个系统应该包括以下几部分： ( 1 ) 构建系统硬件平台，作为实现系统处理功能的基础。硬件模块包括： u s b 2 0 接口模块、电源模块、时钟模块、复位模块、外部存储器空间接口等 c 2 ) u s b 2 0 接口的软硬件设计，是系统与计算机的交互成功的关键。 7 ( 3 ) 数据采集电路，将输入的模拟信号转化成数字信号，涉及到模数转换 山东大学硕士毕业论文 器件。 ( 4 ) 由于采集到的数据的信息量较大，只靠d s p 内部r a m 来存取数据足远 远不够的，需要外扩大容量的存储器来存储采集的数据。 ( 5 ) 为了减少系统的体积，优化频率特性，降低调试难度，系统中所需的 译码电路、数据锁存电路、同步和控制电路集成在可编程逻辑器件c p l d 中， 通过编程实现。 2 1 3 系统的硬件框图 本系统主要有数据采集和数据传输两大部分组成。f 1 1 c p l d 进行逻辑控制， 负责数据的采集，d s p 进行数据处理，u s b 2 0 接口负责数据的传输，从而发挥 了不同类型可编程芯片的优势，提高了系统的性能。本系统的硬件原理框图如 图2 1 所示。 模 2 1 4 原理概述 图2 1 系统的硬件原理框图 系统加电后，f l j d s p 完成自身和u s b 接口器件的初始化。在系统通过u s b 接口连接到p c 机的前提下，w i n d o w s 硬件向导发现新硬件，根据设备类型和i n f 文件的说明，载入本系统的w d m 驱动程序，系统开始正常工作由d s p 启动对 数据的采样，通过扩展的i o i ：1 ，发送控制信号到c p l d ，控制信号主要由开始 5 山东大学硕士毕业论文 采集、采集出错、采集完成等几个状态。c p l d 一旦接收到开始采集信号，就 立刻向a d 转换器发送采集控制信号，启动a d 转换：为了实现s r a m 中数据地 址的同步，将转换的数字信号送往c p u ) 进行缓冲，然后送s r a m 供d s p 读取； d s p 通过查询和中断方式，监控c p l d 发出的中断信号，一旦接收到c p l d 发出 的中断信号，d s p 读取某路的数值并与初始数据比较，根据比较结果继续向 c p l d 发送控制信号，如果此时的控制信号为采集完成信号，则d s p 在通知c p l d 停止采集的同时，延时一段时间后再读取s r a m ，然后在内部进行处理，将处 理结果放在存储器中；至此，触发u s b 请求，使能u s b 端点，启动一次u s b 传 输，将结果送往p c 机。本文主要研究的重点是u s b 2 0 总线接口的软硬件实现， 也介绍了数据的采集和处理的原理和方法此系统由u s b 总线接口模块、d s p 数据处理模块、逻辑控制模块、存储模块、a d 转换等组成。各模块功能如下； ( 1 ) u s b 总线接口模块：采用p h i l i p s 公司的u s b 接口芯片i s p l 5 8 1 ，完成系 统同p c 机之间的数据传输和人机交互。该部分硬件部分包括i s p l 5 8 1 的外围电 路设计和i s p l 5 8 1 同d s p 之间数据传输设计；软件部分包括固件程序，w d m 驱 动程序和可视界面应用程序。 ( 2 ) d s p 处理电路：该部分包括d s p 与外围存储器的接口设计，它是整个系 统设计的处理核心。采集完毕后，d s p 便可访问s r a m 的数据，并完成后继的 处理工作，处理的结果可以通过j 1 a g 接口在c c s 中获得。 ( 3 ) c p l d 逻辑控制器：采用a l t e m 公司的m a x 3 0 0 0 系列的芯片，使用v h d l 语言的编程方式，将程序通过j t a g 接口下载到芯片c p l d 中。在c p l d 中，做 了有关锁存器、译码器及时序控制电路等设计。该部分具有以下几个功能： 控制a d 的时序 s r a m 的数据地址总线控制器和读写控制信号 d s p 扩展i ，0 口的地址译码 数据锁存功能 ( 4 ) 数据存储：由于d s p 内部凡蝴远不能满足数据量的要求，所以需要 采取外扩存储器s r a m 来实现数据的存放，将c p l d 采集到的数据暂存在s r a m 中，然后通过d s p 的读指令进行读操作，这里s r a m 具有数据缓存的作用 ( 5 ) a d 转换模块：d s p 只能对数字信号进行处理，因此在处理之前，需将 接收到的模拟信号转变成数字信号 6 山东大学硕士毕业论文 另外，在本系统中，d s p 还有一个重要的功能就是负责s r a m 的访闯权。 在系统中，d s p 和c p l d 都要对s r a m 进行访问，必然会产生s r a m 的访问权冲 突问题，针对这一问题，通过d s p 的管脚x f 来解决，当x f 输出为0 时，d s p 访 问s r a m ，否则，c p l d 访问s r a m 。原理框图中的缓冲是为了防止地址数据复 用所设置的。 2 2 系统主要器件选型 2 2 1 微处理器的选型 采用数字信号处理的方式必须选择合适的微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) ，目 前的微处理器分为通用处理器、单片机和d s p 三大类。 ， 本系统通过微处理器对采集的数据进行分析和预处理，要求速度快、体积 小，易于实现，又由于数据的运算量比较大，因此，使用传统的通用处理器或 单片机无法满足要求，而d s p 芯片正好能满足高速运算处理的需要，它的运算 速度直接决定了系统的处理能力，因此选择了d s p 作为硬件处理电路的核心器 件。 当选择了一种满足上述要求的d s p 后，还应当选择更具体的类型，如速度、 工作温度范围、封装等。许多d s p 都提供了具备片内r o m 型的产品，片内 r o m 可以将定型的程序代码固化到d s p 片内，从而减少了系统的体积、功耗、 电磁辐射干扰，速度也有所提高，当大批量生产时可以降低成本但这种r o m 几乎都是一次性写入的，而且需要出产厂家专门制作，因此对普通用户来说， 这些r o m 是无用的，所以d s p 处理系统中除了d s p 芯片以外，另外不可缺少 的器件就是存储器。一个独立系统必须有e p r o m 或f l a s h 等非易性存储器来 存放程序、初始化数据等。当片内存储器不够用时，有必要采用高速可读写的 片外存储器静态r a m ( s r a m ) ，s r a m 与d s p 连接简单，能被d s p 全速访 问。 综合考虑了以上情况，在本系统中，选择了t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作 为处理器。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是t i 公司的1 6 位定点d s p ，存储空间可达1 9 2 k x1 6 b i t ， 7 山东大学硕士毕业论文 其中6 4 k 字的程序空间、6 4 k 字的数据空间、6 4 k 字的i o 空闯。此外，还具 有丰富的片上外设。 ( 1 ) 流水线结构：一条d s p 指令的执行被分为6 个不同的阶段，这6 个不同的 阶段可以并行执行，即一个指令周期内可以有6 条指令处于执行的不同阶段。 ( 2 ) 多处理单元：t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的内部集成多个处理单元，如算术逻辑 单元( a l u ) 、辅助寄存器运算单元( a r a u ) 、累加器( a c c ) 以及硬件乘法器( m u l ) 单元等，它们可以在一个指令周期同时进行运算。 ( 3 ) 外设：2 个自动缓冲串行b s p ( a u t o - b u f f e 糟ds e r i a lp o r t ) 接口和1 个8 位的与外部处理器通讯的h p i ( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) 接口，1 个i e e e l l 4 9 1 标准 j 1 r a g 接口( 仿真接口) ；2 个1 8 位计数器和1 个可编程状态产生器。 ( 4 ) 特殊指令；d s p 指令集中，设有专门的指令，如累加乘指令m a c d 等。 ( 5 ) 高速工作频率：t i v i s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片最高工作时钟可以达到l o o m h z ， 指令速度为i o o m i p s 。 ( 6 ) 功耗低。 2 2 2u s b 2 0 接口控制器芯片的选型 2 2 2 1 几款典型u s b 控制器芯片性能分析 为了方便p c 与外设的连接，以i n t e l 公司为首的7 家公司于1 9 9 4 年1 1 月推出 了一种即插即用的u s b 通用串行总线协议规范。但由于u s b 是以主机为中心的 分层的星状总线拓扑结构，软件比较复杂，对功率要求也比较高，所以在推出 后的一段时期内，u s b 在基于p c 的系统中得到了广泛应用，而在嵌入式系统中 应用不多。但是，在2 0 0 0 年发表的u s b2 0 规范将u s b 接e l 的速度从1 2m b p s 提 高到4 8 0m b p s 2 0 0 1 年又发表了u s bo t g ( o nt og o ) 补充规范，使外部设备 可以摆脱p c 机，实现在任何两台设备之间直接通信。经过这两次升级，随着有 越来越多的带u s b 接口的廉价外设可供使用，有越来越多的嵌入式系统工程师 u s b 接口技术应用到嵌入式系统的设计中这种需求也促进了u s b 控制器芯片 的研发，给开发者提供了越来越多的选择。仅在最近两年内，就有多种新型的 u s b 控制器芯片推出。然而这又给选择带来了困难，不同的u s b 控制器芯片有 0 山东大学硕士毕业论文 不同的性能和特点，以下对一些典型的u s b 控制器芯片进行分析和比较，供选 择时决策参考。 从芯片大的构架来分，市面上所有的u s b 控制器芯片可以分为不需要外接 微处理器的芯片和需要外接微处理器的芯片。不需要外接微处理器的芯片又可 以分为u s b 接口专用芯片和嵌入通用微控制器内核的芯片。 u s b 接口专用芯片内部采用专用的微控制器，具有特定的指令集，如 c y p r e s s 的u s bm 8 系列和e n c o r eu s b 系列的芯片。其所能实现的功能有限，但 是因为指令集是专门为u s b 应用优化的指令集，所以实现u s b 通信工作非常方 便。 内嵌通用微控制器的u s b 控制芯片，一般是在通用微控制器的基础上扩展 了u s b 功能，其优点是开发者熟悉这些通用微控制器的结构和指令集，相关资 料丰富，易于进行开发。如c y p r e s s 基于8 0 5 1 的e z - u s b 系列，m i e r o c h i p 基于p i c 的1 6 c 7 x 5 ，m o t o r o l a 基于6 8 h c 0 8 的6 8 h c 0 8 j b 8 ，a t m e l 基于a v r 的a t 7 6 ( 2 7 1 1 等 u s b 控制芯片。 需要外接微控制器的芯片，只处理与u s b 相关的通信工作，而且必须由外 部微控制器对其控制才能正常工作，所以这些芯片必须提供一个串行或并行的 数据总线与微控制器进行连接。此外，还需要一个中断管脚，当数据收到或发 送完，这个中断管脚会向微控制器发出中断请求信号。其优点是芯片价格便宜， 而且便于用户使用自己熟悉的微控制器进行开发。 总之，u s b 芯片是一种集成了u s b 协议的微处理器，它能自动对各种u s b 事件做出响应，以处理u s b 总线上的数据传输。u s b 芯片按功能可以分为u s b 主控制器芯片、u s b 集线器芯片和u s b 功能设备芯片。 在对u s b 控制器芯片性能进行分析时，主要研究数据传输速度、功耗、电 源、程序数据存储器容量、封装及u s b 规范等通用的技术指标。另外，针对不 同的功能类型，还会有不同的要求。下面将对最新有代表性的u s b 控制芯片进 行分析比较。 1 ) u s b 主控制器芯片 u s b 主控制器芯片负责实现主机和u s b 设备间的物理数据传输，它是构成 u s b 主机不可或缺的核心部件随着嵌入式技术的飞速发展，u s b 主机的嵌入 式化是大势所趋。在u s b2 0 规范中也增加了o n - t h e - g o ( o t g ) 补充规范，它 9 山东大学硕士毕业论文 使得不同外设在无主机参与的情况下可直接互连通信另外，虽然有的芯片是 主机设备控制器芯片，但是一般只将其作为主机控制器芯片使用。 2 ) u s b 集线器芯片 u s b 集线器芯片负责将一个u s b 上行端口转化为多个下行端口，它是构成 u s b 集线器不可或缺的核心部件它所需要关心的性能指标与u s b 主机的要求 不完全相同，它所支持的下行端口的数目是一个很重要的指标。 3 ) u s b 功能设备芯片 u s b 功能设备芯片负责实现功能设备和u s b 主机间的物理数据传输，它是 构成u s b 功能设备的必需部件通常这些u s b 芯片都含有多个驱动外围电路的 i o 口，以实现u s b 设备的特殊功能。 以上三种芯片的i o 接口各有自己的特点，但是都满足u s b 的高速和全速传 输的速率要求及传输类型的需要，可以根据不同工程要求，选择合适的芯片。 通过对上述按功能划分的三大类u s b 芯片的同一类型芯片之间特性的比较 分析和掌握相关的研究方法，我们就可以根据实际开发项目的要求及设计的重 点选择合适的u s b 控制器芯片。 4 选择u s b 芯片的其它相关因素 在进行u s b 项目开发时，除了需要针对不同功能的应用，对相应类型的不 同的u s b 芯片的特性进行比较分析以选择合适的u s b 芯片之外，还有许多因素 值得我们考虑。为了更好更快地完成项目的开发，一般情况下还必须遵循以下 准则： 需要熟悉芯片的硬件体系结构和相关的固件编程语言，以及详尽的硬 件文档； 要有良好的u s b 芯片的开发工具包，便于进行固件下载和调试的开发 系统； 要有可以提供芯片固件的范例代码、典型的u s b 设备驱动程序和界面 应用程序等，开发人员只需在其基础上稍加修改即可使用； 关于u s b 芯片的价格，应尽量选择性价比最高的芯片。对于批量生产 的u s b 设备，可以选择提供o t p ( 一次性编程) 版本的u s b 芯片 总之，正确的选择是成功的开始，可以节省大量的时间和金钱。 本课题根据实际情况，参考以上原则选定p h i l i p s 公司的i s p l 5 8 1 芯片，它 山东大学硕士毕业论文 属于u s b 功能设备芯片。 2 2 2 2 i s p l 5 8 1 的性能特点 i s p l 5 8 1 是一种价格低、功能强的高速通用串行总线( u s b ) 接口器件，它 完全符合u s b 2 o 规范。并为基于微控制器或微处理器的系统提供了高速u s b 通信 能力。i s p l 5 8 1 与系统的微控制器微处理器的通信是通过一个高速的通用并行 接口来实现的。 i s p l 5 8 1 支持高速u s b 系统的自动检测。最初u s b 规范的返回工作模式允许 器件在全速条件下正常工作。i s p l 5 8 1 是一个通用的u s b 接口器件，它符合现有 的大多数器件的分类规格，比如：成像类、海量存储器件、通信器件、打印设 备以及人机接口设备。 内部通用d m a 模块使得数据流很方便的集成。另外多种结构的d m a 模块实现 了海量存储的应用。 这种实现u s b 接口的标准组件使得使用者可以在各种不同类型的微控制器 中选择出一种最合适的微控制器，通过使用已有的结构和减少固件上的投资， 缩短开发时间，减少开发风险和费用，从而用相对快捷的方法实现了相对经济 的u s b ) b 设的解决方案。 i s p l 5 8 1 可以理想地用于许多外设，例如：打印机、扫描仪、帅、c o 、d v d 和 z i p j a z 驱动器、数码相机、u s b 和以太网的链接等等。 总结起来，i s p l 5 8 1 具有以下特性： 完全符合通用串行总线u s br e v2 o 规范 符合大多数器件的分类规格 高性能的u s b 接口器件集成了串行接口引擎s i e p i e f i f o 存储器数据收 发器和3 3 v 的电压调整器 支持高速u s b 的自检工作模式和最初u s b 规范的返回工作模式 高速的d 姒接口1 2 8 m 字秒 完全自治的多结构d m a 操作 7 4 i n 端点7 个o u t 端点和1 个固定的控制i n o u t 端点 集成8 k 字节的多结构f i f o 存储器 山东大学硕士毕业论文 端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输 同大部分的微控制器微处理器有单独的总线接口1 2 酬位秒 集成了p l l 的1 2 1 舭, 的晶体振荡器，有着良好的电磁干扰特性 集成了5 、r 到3 v 的内置电压调整器 可通过内部上电复位和低电压复位电路复位也可通过软件复位 工作在扩展u s b 总线电压范围( 4 o _ - 5 5 v ) 内，i 0 端口最大可承受5 v 的电压 操作温度4 0 8 5 l q f p 6 4 的封装形式 本章小结 本章从全局出发探讨了系统的可行性，此外，给出了系统的硬件原理框图， 对系统的基本原理进行了阐述，并分别对硬件中各部分的功能进行了概况性介 绍。对系统主要芯片，d s p 芯片和u s b 接口控制芯片，给出了其选型依据， 并对所选芯片的功能特点进行了简单描述。 山