（模式识别与智能系统专业论文）基于usb总线的虚拟示波器的设计与研究.pdf

哈尔滨t 程人学硕士学位论文 摘要 现代科学技术的进步以计算机技术的进步为代表 不断革新的计算机技 术 从各个层面上影响着 引导着各行各业的技术更新 基于计算机技术的 虚拟仪器系统技术正以不可逆转的力量推动着测控技术的革命 u s b 总线技术是p c 体系中的一套全瓤的工业总线标准 而u s b 技术在测 量仪器的应用将成为一种新的趋势 本文依据u s b 总线所具有的价廉 高速 低功耗 支持即插即用等优点提出了一种基于u s b 总线的虚拟示波器的设计 方案 本文主要分为七部分 第一部分介绍了虚拟仪器技术的特点及应用领域 并给出了基于u s b 总线的虚拟示波器的构成及工作流程 第二部分讨论了基 于u s b 总线的虚拟示波器的方案选择 第三部分论述了数据采集部分 控制 逻辑部分以及d s p 在系统中的应用 第四部分以u s b 规范为基础 介绍了u s b 总线体系结构的相关知识 第五部分着重介绍了d s p 中关于u s b 协议的固件 程序设计 第六部分重点讲解了u s b 设备驱动程序的开发方法以及驱动程序 安装文件i n f 文件的设计及驱动程序的加载过程 第七部分介绍了虚拟示波 器应用程序的设计 本文讨论了将u s b 总线技术应用到虚拟仪器中的软 硬件设计 给出了 一个切实可行的方案 关键词 虚拟仪器 u s b d s p 数据采集 l a b v i e w w d m 哈尔滨t 样人学硕一l 学位论文 a b s t r a c t t h e p r o g r e s so f t h et e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e r r e p r e s e n t st h a to f t h em o d e m s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t h ec o n s t a n t l yi m p r o v i n gt e c h n o l o g yo f t h ec o m p u t e ri s i n f l u e n c i n ga n dg u i d i n g t h ei n n o v a t i o no ft h et e c h n o l o g y t h ev i r t u a li n s t r u m e n t b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ri sp r o m o t i n gt h er e v o l u t i o no fo b s e r v a t i o n a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t hi r r e v e r s i b l es t r e n g t h t h et e c h n o l o g yo f u s bi so n en e ws t a n d a r do f i n d u s t r i a lb u si np c s y s t e m i t w i l lb e c o m ean e wt r e n dt oa p p l yt h et e c h n o l o g yo fu s bi nm e a s u r ei n s t r u m e n t a c c o r d i n g t ot h eh i g hp e r f o r m a n c eo f u s bs u c ha s c h e a p h i g hs p e e d l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dp n p t h ep a p e rp u t sf o r w a r dad e s i g no fv i r t u a lo s c i l l o g r a p h b a s e do nu s b t h ep a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s s e c t i o n1i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n d a p p l i c a t i o no ft h ev i r t u a li n s t r u m e n ta n ds h o w st h ec o m p o s i t i o no ft h ev i r t u a l o s c i l l o g r a p hb a s e do nu s b s e c t i o n2d i s c u s s e st h es e l e c t i o no f t h ep l a nf o rh o w t od e s i g nt h i ss y s t e m s e c t i o n3i n t r o d u c e st h ed e s i g no f t h ed a t aa c q u i r i n g s y s t e m s e c t i o n4t a l k sa b o u tt h eu s bs p e c i f i c a t i o n s e c t i o n5m a i n l yi n t r o d u c e sh o wt o r e a l i z e t h e u s b p r o t o c o l i n t h e d s ps y s t e m s e c t i o n6e x p l a i n s t h e m e t h o do f d e s i g n i n g au s bd e v i c ed r i v e ra n di n f f i l e i ta l s oi n t r o d u c e sh o ws y s t e ml o a d sa u s bd r i v e rw h e nt h eu s bd e v i c ei sp l u g g e di n s e c t i o n7d i s c u s s e st h ed e s i g no f t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo f t h ev i r t u a lo s c i l l o g r a p h t h e p a p e r d i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no f t h et e c h n o l o g yo f u s bi nt h ed e s i g no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fv i r t u a l i n s t r u m e n t a n db r i n g sf o r w a r daf e a s i b l e s o l u t i o n k e yw o r d s v i r t u a li n s t r u m e n t u s b d s p d a t aa c q u i r i n g l a b v i e w w d m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导 下 由作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文 献的引用已在文中指出 并与参考文献相对应 除文中已 注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担 作者 签字 欲刁走 日期 伽q 年2 一月v 日 哈尔滨工样火学硕 学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 现代科学技术的进步以计算机技术的进步为代表 不断革新的计算机技 术 从各个层面上影响着 引导着各行各业的技术更新 基于计算机技术的 虚拟仪器技术正以不可逆转的力量推动着测控技术的革命 虚拟仪器的概念最初由n i 公司提出 它是在电子仪器与计算机技术更 新层次结合的基础上产生的一种新的仪器模式 是指在通用计算机上添加一 层软件和必要的仪器硬件模块 使用户操作这台计算机就像操作一台为自己 专门设计的传统仪器一样 并且可以将测量数据存储起来 虚拟仪器以透明 的方式把计算机资料和仪器硬件的测量 控制能力结合在一起 通过软件来 实现对数据的分析处理 表达 1 2 虚拟仪器的特点及发展现状 1 2 1 虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器相比具有许多优点 1 传统仪器 传统仪器的功能通常由仪器厂商定义 资料无法编辑 硬件是 其关键部分 测量的误差较大 价格昂贵 功能固定 扩展性差 技术更新 慢 丌发和维护的费用高 2 虚拟仪器 虚拟仪器的功能通常由用户自己定义 利用计算机强大的数据 处理能力可对资料进行分析 检索 软件是关键 由于减少了对硬件的使用 误差较小 价格相对较低 根据需要可对软件进行修改以满足新的需要 技 术伴随着计算机的发展而发展 更新较快 开发和维护费用较低 接口友好 哈尔滨i 科人学硕 学位论文 使用简便 用户只需用鼠标即可完成全部操作 可方便地与网络和其它外设 相联系 1 2 2 虚拟仪器的发展现状 电子测量仪器的发展大体经历了五个发展阶段 首先 第一代是指针式 模拟仪器 这种仪器以电磁感应基本定律为基础 如指针式电压表 指针式 电流表等 它们都是借助指针来显示最终结果的 第二代则是分立组件式仪 器 这种仪器是在2 0 世纪5 0 年代出现电子管和6 0 年代出现晶体管时产生的 以电子电路为基础的测控仪器 第三代是在2 0 世纪7 0 年代 随着集成电路 的出现 出现了以集成电路芯片为基础的数字仪器 这类仪器将测试信号转 化为数字信号测量 并以数字元方式输出最终结果 第四代是以微处理器为 核心的智能式仪表 这种仪器内置微处理器 集自动测试和数据处理能力于 一身 但其功能块是以硬件或是固化软件的形式存在 缺乏灵活性 而新一代测控仪器融入了当今计算机技术 测量技术以及通信技术的最 新成果 它对传统仪器的观念是一次巨大的变革 是仪器产业发展的重要方 向 所以p c 机主流技术的最新发展 不管是c p u 的更新换代还是便携式计算 机的进一步实用化 不管是操作系统平台的提升还是网络乃至i n t e r n e t 的应 用拓展 都能够为虚拟仪器系统带来新的活力和好处 现代计算扩性能 价 格比的不断提高使得越来越多的用户认可并接受虚拟仪器 正是基于微电子 技术和微型计算机的快速进步 使电子测量仪器的整体水平有了很多的变化 先后出现了独立式智能仪器 g p i b 自动测试系统 插卡式智能仪器 在此基 础上又出现了一种功能强大的v x i 总线仪器系统 v x i 技术优化了诸如a d 高速转换器 标准化触发器以及共享内存和局部总线等先进技术和性能 成 为可编程仪器的新领域 并成为电子测量仪器行业目前最热l q 的领域 目前 虚拟仪器有两类 一类是基于p c 的仪器 它是由p c 能插入p c 哈尔滨l 科人学硕i 学位论文 机箱的插卡或模块和相关测试软件 如l a b v i e w l a b w i n d o w s c v l h p v e e t e s l p o i n t 等 所构成 采用这种结构能构成基于p c 的示波器 任意波形发 生器 波形分析仪 函数发生器 逻辑分析仪 电压表和数据采集产品 另 一类是基于v x i 和c p c i p x i 模块的测试系统和自动测试系统设备 a t e 虚拟仪器为用户提供了一个用户界面友好 结构丌放的测试系统 现在 用户需要其应用软件能从一种平台移植到另一平台上 如在l a b v i e w 和 l a b w i n d o w s c v i 上开发的支持i s a 总线插卡的测试程序稍加修改 便能支 持p c i 总线插卡 也就是应用有跨平台的支持能力 1 3 基于u s b 总线的虚拟示波器的概述 在通常的实验条件下 只有个别计算机配置了数据采集卡 那么 如果 要组建测试系统时 要么需要使用特别指定的计算机 要么就得打丌计算机 的机箱 拆装虚拟仪器接口卡 这给实验带来很大的不便 还有一些情况要 求到工程现场进行设备的测试 这时通常要用到笔记本电脑或便携式计算机 而p c i 或i s a 数据采集卡不能够在这样的计算机上使用 u s b u n i v e r s a l s e r i a lb u s 通用串行总线 以其高速性 灵活性 有效性等诸多优点成为本 课题中传输通道的首选 在论文中 我通过建立一个虚拟示波器来说明u s b 总线在虚拟仪器中的应用 1 3 1 基于u s b 总线的虚拟示波器的构成 图1 1 是基于u s b 总线的虚拟示波器的构成示意图 该系统从纵向可分 为两大部分 终端设备和主机 其中终端设备主要由 数据采集环节 信号 处理环节和u s b 协议环节组成 主机部分包括设备驱动程序和虚拟示波器的 应用程序 由于设计对象是虚拟示波器 所以只进行虚拟仪器中前向通道的设计 在其他的虚拟仪器的设计中 可针对相应要求加入d a 等部分 哈尔滨i 科人学硕十学位论文 a d 数州采蛾 hd s pf j u 处州 1u s b 总线r l l 端 删u s b m 议 n r tt ll 型辑控制 1 ll i j 终端部分 主机部分 图1 1 基于u s b 总线的虚拟示波器的构成示意图 1 3 2 基于u s b 总线的虚拟示波器的工作过程 本系统中 数据采集的采样频率由主机端的用户通过应用程序进行设 定 终端设备根据设定的采样频率进行采样 采样得到的数据经过d s p 处理 后通过u s b 总线传送到主机端 主机端应用程序从设备驱动程序那罩获得数 据并在屏幕上进行显示 1 4 论文主要研究内容 本论文介绍了课题设计的基于u s b 总线的虚拟示波器 其主要内容如下 第一章介绍了虚拟仪器技术的应用领域 分析了虚拟仪器的特点 并指 出了基于u s b 总线的虚拟示波器的构成及工作流程 第二章讨论了基于u s b 总线的虚拟示波器的方案选择 第三章论述了数据采集部分 控制逻辑部分以及d s p 在系统中的应用 第四章以u s b 规范为基础 介绍了u s b 总线体系结构的相关知识 第五章介绍了p i d u s b d l 2 接口芯片的功能及在本系统中的应用 并且着 重介绍了d s p 中关于u s b 协议的固件程序设计 第六章介绍了w d m 设备驱动程序的开发环境d r i v e r w o r k s 及其使用方 法 并重点讲解了u s b 设备驱动程序的开发方法 同时还介绍了驱动程序安 d 尘堡 l 型查兰竺 兰兰堡堡兰 装文件l n f 文件的设计及驱动程序的加载过程 第七章介绍了虚拟示波器应用程序的设汁 哈尔滨i 程人学硕十学何论文 第2 章设计方案选择 2 1 终端设备设计方案的选择 2 1 1 终端控制器的选择 课题在选择数据采集终端控制器时 摒弃了传统的单片微控制器 m c u 而选用t i 公司性价比极高的1 6 位定点d s p t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 简称v c 5 4 0 2 这款d s p 的价格与现在主流的5 1 系列m c u 的价格相仿 性能却高得多 传统的观点认为d s p 的数字信号处理功能很强 但监控管理功能偏弱 这种观点的形成主要是因为t i 公司以前几种系列的d s p 的通用i o 引脚很 少 v c 5 4 0 2 却不相同 它的h p i 引脚和m c b s p 引脚在不使用主机接口和多通 道缓冲串口功能时 都可工作在通用i o 模式 所以v c 5 4 0 2 的监控管理功能 一点都不弱 以v c 5 4 0 2 为数据采集终端控制器 不但可以对终端设备进行监控管理 还可进一步扩展系统数字滤波 数据压缩等方面的功能 2 1 2 逻辑控制电路的选择 本课题采用了复杂可编程逻辑器件c p l d c o m p l e xp r o g r a i l l n a b el o g i c d e v i c e 来进行逻辑控制电路的设计 与传统的通用集成电路相比 c p l d 具 有以下几方面的优点 2 3 4 体积小 容量大 将几万 几十万门电路 上亿个晶体管集成于一个 芯片 体积自然很小 功耗低 可靠性高 保密性强 i 喻尔滨 样人学硕十学位论文 5 具有在线可编程能力 6 各种先进的丌发手段人人缩短了玎发周期 在设计中 采用的是a t e r a 公司出品的m a x 7 0 0 0 系列c p l d 中的e m p 7 1 2 8 配之以m a x p l u s i i 集成丌发环境 采用的是v h d l 硬件描述语言 2 1 3 u s b 终端控制器选择 u s b 协议的复杂性意味着u s b 外设必须具有智能 控制器芯片必须知道 如何检测并对u s b 端口的事件做出反应 它必须为设备提供存储要发送的数 据和获得已经接收到的数据的一种方法 控制器芯片在进行u s b 通信时所需要的支持是不同的 一些芯片只需要 访问一系列寄存器以存储和恢复u s b 数据 其他的芯片要求设备程序代码做 更多的工作 包括管理描述符的重新获得 设定数据切换值和保证正确的交 换包被发送等 一些控制器芯片上有通用功能的c p u 而其他的控制器芯片则采取最简 单的方法和接口与一个外部c p u 连接 这个按需要处理与u s b 控制器之间的 非u s b 任务和通信 所有的u s b 控制器都有一个或多个u s b 端口和缓存 寄 存器和其他i o 带有通用功能c p u 的控制器芯片在芯片上也有程序和数掘 存储器或一个到外部存储器的接口 在现有的u s b 控制器芯片中 一些控制器是专门为u s b 应用设计的 c y p r e s s 半导体公司有好几种这种类型的芯片 例如c y 7 c 6 3 x x x 系列 还有 很多u s b 控制器芯片是建立在现有微控制器芯片或d s p 芯片系列的基础上的 i n t e l 是第一个发布带有u s b 端口的外设公司 像i n t e l c y p r e s s 的8 x 9 3 1 就是建立在8 0 5 1 的基础上的 还有像t i 公司的d s p t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 就内罱 有两个u s b 端口 还有一些芯片只处理u s b 通信 必须被一个外部微控制器 控制 例如国家半导体公司的u s b n 9 6 0 3 和p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 等 若采用专用u s b 微控制器芯片或附带u s b 端口的微控制器或d s p 本可 喻尔滨i 程人学硕十学位论文 以使设计人大简化 但是由于专用u s b 微控制器芯片 的通用i o 管脚通常较 少 不适用于数据采集系统 而附带u s b 端口的微控制器或d s p 芯片的价格 比较昂贵 不适合课题使用 而连接到一般微控制器的芯片具有很高的性能 价格比 但其使用的灵活性为固件程序的编写带来了一定的难度 综合各方 面的因素 本课题采用p h i l i p s 公司的p c i u s b d l 2 芯片与d s p v c 5 4 0 2 进行 连接来组成终端设备 2 2 主机端程序设计方案的选择 2 2 1u s b 设备驱动程序的选择 在3 2 位w i n d o w s 操作系统下对底层硬件的控制已不像d o s 中那么简单 必须借助于设备驱动程序 w i n d o w s 环境下的驱动程序主要有三种 v x d k m d 和w d m v x d 在w i n d o w s9 5 9 8 m e 操作系统中起主导作用 k s i d 是在w i n d o w s n t 下提出的管理 维护硬件运行的驱动程序模式 w d m 是微软公司大力推广 的全新的驱动程序模式 运行平台是w i n d o w s9 8 m e n t 2 0 0 0 x p 操作系统 在未来 w d m 将成为w i n d o w s 平台上主流的驱动模式 w i n d o w s 的u s b 设备驱动必须遵循微软在w i n d o w s 9 8 m e 和w i n d o w s 2 0 0 0 中为用户定义的w i n 3 2 驱动模式 这些驱动模式以w d m 驱动为主 也就是说 u s b 设备在主机端的驱动程序设计不会因为w i n d o w s 的版本不同而采用不同 的驱动模式 而是必须采用w d m 驱动模式 在w i n d o w s 操作系统中 本身附带了一些u s b 设备的驱动程序 例如 h i d h u m a ni n t e r f a c ed e v i c e 人机接口设备类 如果设计丌发h i d 设备 就 可以不用编写设备驱动程序而采用h i d 类驱动程序 在本课题中 终端设备 不属于h i d 设备 所以必须编写w d m 驱动模式的设备驱动程序 2 2 2 设备驱动程序开发方法的选择 w i n d o w s 设备驱动程序的丌发方法大体上可以分为两种 采用d d k 工具和 哈尔浜i 群人学硕十学位论文 采用第三方公司提供的丌发工具 利用d d k 具进行驱动程序丌发时 需要丌发人员具备丰富的编程知谚 和编程经验 同时还要深刻理解w i n d o w s 操作系统内核的工作机制 所以用 这种方法开发设备驱动程序难度很大 而且丌发时间很长 若采用第三方公司提供的丌发工具进行丌发驱动程序时 可以大大降低 丌发难度 缩短开发时间 这主要是因为第三方工具将d d k 工具提供的供开 发驱动程序的函数进行台理有效的封装 使开发者可以正确 方便的使用这 些函数 这样做使设备驱动程序设计的灵活性有所降低 但是在一般的设计 要求下 这种开发方法是很好的选择 本课题采用的是第三方公司提供的d r i v e r w o r k s 开发工具进行设备驱动 程序的设计丌发的 2 2 3 应用程序开发方法的选择 系统应用程序的开发方法有很多种 大体上可以分为独立实现和系统集 成两种方法 其中独立实现主要指应用通用编程语言 c c 语言 在通用 编译平台上开发应用程序 系统集成是指利用专用虚拟仪器编译平台 l a b v i e w l a b w i n d o w s c v i 实现仪器的软面板 通过嵌入代码实现对通用 数据源的调用 独立实现的方法在开发上比较直接 容易上手 但在开发比较复杂的程 序时就显得有些力不从心了 而系统集成的方法不太容易上手 但在功能实 现上则游刃有余 是目前大多数虚拟仪器开发时选择的方法 本课题利用n i 公司提供的虚拟仪器专用开发平台l a b v i e w 进行应用程序 的系统集成开发的 2 3 基于u s b 总线的虚拟示波器的最终设计方案 课题中系统的最终设计方案如图2 1 所示 呛尔滨i 科人学颂十学位论文 图1 2 基于u s b 总线的虚拟示波器设计方案 终端设备根据应用程序指定的采样周期进行采样 d s p 器件对采集得到 的数据进行处理之后通过u s b 总线送入主机端 主机端应用程序通过驱动程 序读取u s b 总线传送的数据并进行处理和显示 2 4 本章小结 本章主要介绍了整个系统的方案选择 终端设备选用d s p 作为终端控制 器 它不但对数据采集作监控管理 还进一步实现u s b 协议 同时进行数字 滤波 数据压缩等方面的工作 u s b 控制器采用外部c p u 与u s b 接口芯片相 配合的方式 这样降低了开发成本 但在一定程度上增加了丌发难度 在主 机端w i n d o w s9 8 m e 2 0 0 0 x p 环境下 利用d r i v e r w o r k s 进行w d m 模式的设 备驱动程序丌发 同时采用虚拟仪器专用丌发平台l a b v i e w 进行应用程序的 丌发 一 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 第3 章数据采集及信号处理 3 1 数据采集部分 3 11 模数转换芯片a d 9 7 6 a d 9 7 6 是a d t a n a l o gd e v i c e si n c 公司生产的一种高速 低功耗的 1 6 位a d 转换器 这种a d 转换器具有以下一些特点 1 转换速度快 a d 9 7 6 a d 9 7 6 a 分别具有i o o k s p s 2 0 0 k s p s 的转换速率 2 单电源方案 a d 9 7 6 正常工作只需要5 v 电源供应 其最大功率仅为 1 0 0 m w 3 全面交直流规格 a d 9 7 6 在出厂前在信噪比和全谐波扭曲方面进行了 全面的校正和测试 同时在偏移误差 增益误差和线形误差方面也进 行了严格的校正 4 完整的模数转换解决方案 a d 9 7 6 集成了精确的a d 转换器 参考电 压和内部时钟 有关a d 9 7 6 的具体内容请参考a d i 公司相关的数据手册 3 1 2 a d 9 7 6 工作模式的选择 a d 9 7 6 提供了两种工作模式 一种是由r c 来控制启动转换过程 转换 时间至少为5 0 n s c s 始终保持底电平 在这种工作模式中 通常由外部c p u 来决定r c 信号频率和占空比 所以也可称之为被动工作模式 图3 1 表示 了这 e e z 作模式的时序图 另 中工作模式是由r c 和c s 信号共同来控制a d 9 7 6 的启动转换过程 和数据读取过程 在这种工作模式中 用外部c p u 来决定采样频率比较网难 一般采用固定的外部时钟经过逻辑电路来产生r c 和c s 信号 这样的话 哈尔滨i 科人学颂 l 学位论文 采样频率一般是不可变的 所以也可以称之为主动工作模式 图3 2 短示了 该工作模式的时序图 状态 数据总线 掰 嚣 糊剐 状态 数据总线 一1 1 l 厂一 t 1 3 l t 2 l n 1 1 1 t 3 k i l 卜t b r b 一 有效数据 x 转抉过程 x 有扭靼据x 转换过程 i t hi 1 b 一 上次数据 x 高阻 x 上提数据x 无效x数据x 高阻书x 数据 兰卜刊 i 一l 刊k t 图3 1 被动工作模式 网j l l l l l l t t t t p f b 一 t 8 有效数据 x 转换过程 x 有效数据 一 叫 h i 定h 磊 u h i z t 1 4 鼎 图3 2 主动工作模式 虚拟示波器要求能够是用户改变采样周期 所以a d 9 7 6 的主动 亡作模式 不能够满足设计要求 因此 在本设计中采用了被动工作模式 也就是a d 9 7 6 的第一种工作模式 喻尔浜l 科人1 7 硕十学位论文 3 2 控制逻辑部分 m a x 7 0 0 0 系列是高密度 高性能的c m o sc p l d 是在a l t e r a 公司的第二 代m a x 结构基础上构成的 采用先进的0 8 mc m o se e p r o m 技术制造 该系 列c p l d 结构可1 0 0 模仿t t l 并且可以将s s i 小规模集成 m s i 中规模 集成 和l s i 大规模集成 的逻辑函数高密度地集成 它也可以集成多种 可编程逻辑器件 其范围包括p a l g a l 2 2 v 1 0 m a c h p l s i 和f p g a 器件等 m a x 7 0 0 0 在速度 密度和i o 资源方面可与掩膜式门阵列想媲美 作为门阵 列的样片是很理想的 m a x 7 0 0 0 系列同时具有电平转换的功能 在下文中有 响应的介绍 e p m 7 1 2 8 是m a x t 0 0 0 系列中的一种型号 它的容量为5 0 0 0 门 可用门数 为2 5 0 0 门 包含1 2 8 个宏单元 其p l c c 有8 4 个引脚 提供了6 4 个用户i o 引脚 在课题中采用了两片e p m 7 1 2 8 作为控制逻辑电路 其中一片专门用于 d s p 与a d 9 7 6 之间的逻辑电路实现 另一片用于其余设备的逻辑电路的实现 其具体的设计在相应的段落将有所体现 3 3 信号处理部分 3 3 d s p 器件 课题选用t i 公司1 6 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为数据采集及u s b 总线的控制器 t i 公司是世界上最大的d s p 芯片制造商 其d s p 约占全球市 场份额的5 0 左右 该公司的d s p 器件种类非常齐全 广泛应用于通信与信 息系统 信号与信息处理 自动控制 雷达 声纳 航空航天 医疗 家用 电器等领域 t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列d s p 简称c 5 4 x 是t i 公司在9 0 年代中后期 继t m s 3 2 0 c 1 x t m s 3 2 0 c 2 x 和t m s 3 2 0 c 5 x 之后推出的新一代定点d s p c 5 4 x 采用改进的哈佛结构 程序空间与数据空间相互独立 它采用了多总线技术 具有一条程序总线 三条数据总线和四条地址总线 可同时进行程序指令和 哈尔滨工程人学坝十 j 位论文 数据的存取 具有高度的并行性 c 5 4 x 具有高度专业化的指令集 适合用于 快速算法的实现和高级语言的编程优化 它采用模块化的设计 使派生器件 得到了快速的发展 并且采用了最新的芯片制造工艺 提高了芯片的性能 降低了功耗 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列的杰出代表 是一款性价比 极高的定点d s p 3 3 2 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的主要特点 1 先进的多总线结构 三条独立的1 6 位数据存储器总线和一条程序存 储器总线 2 4 0 位的算术逻辑单元 a l u 包括一个4 0 位的桶形移位寄存器和两 个独立的4 0 位累加器 桶形移位寄存器可对数据进行o 一3 1 位左移 和o 一1 6 位右移 它与指数编码器可在单周期内完成对累加器内数据 的归一化 附加的移位能力使处理器可进行数字定标 位提取 扩展 计算及防止操作溢出 3 1 7x 1 7 位的并行乘法器耦合至一个专用的4 0 位累加器 可在单周期 内执行一次乘加法 m a c 运算 使v c 5 4 0 2 可高效的完成卷积 相关 滤波等运算 4 比较选择存储单元 c s s u 可加速v i t e r b i 蝶形运算 5 两个地址发生器中有八个辅助寄存器 a r x 和两个辅助寄存器算术 单元 a r a u 6 数据总线具有保持特性 7 程序存储器最大的寻址空间为i m 1 6 bj t 8 4 k 1 6 b i t 片内r o m 内部含有u 律表 a 律表 正弦表 中断向量 表和b o o t i o d e r 程序 9 1 6 k 1 6 b i t 片内d a r a m 由两个8 k 字的块组成 在数据存储器空间 中位于地址0 0 6 0 h 一3 f f f h 内 i 竹尔滨i 氍人学硕i 学位论文 1 0 指令系统 v c 5 4 0 2 通过一些特殊的指令使处理器能高速完成一些算 法 使这些算法处理速度得到很大的提高 1 1 采用六级流水线 在任何一个操作周期 少则一条 多m 0 六条指令 可同时处于流水线的不同阶段 1 2 片内外设 软件可编程等待状态发生器 可对不同的块设置不同的等 待周期 片内锁相环时钟发生器 可采用内部振荡器或外部时钟源 两个多通道缓冲串口 m c b s p 增强的8 位主机接口 h p i 两个 1 6 位的定时器 六通道的d m a 控制器 1 3 可采用i d l e l i d l e 2 和i d l e 3 指令使芯片处于省电状态 1 4 具有符合i e e e1 1 4 9 1 标准的j t a g 口 可与主机相连 便于系统的 开发和调试 1 5 双电压供电 i 0 电压为3 3 v 内核电压为1 8 v 单周期指令执行 时间可达l o n s 1 0 0 m i p s 3 3 3 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的硬件设计 l 电源设计 v c 5 4 0 2 为了降低功耗 采用低电压供电方式 而且它有两种电源 3 3 v 的i o 电源 d v d d 1 8 v 的内核电源 c v d d 降低内核电压的主要目的还 是为了降低功耗 这样将芯片应用于外部5 v 供电的系统中 需要将5 v 变换为 3 3 v 和1 8 v 给d s p 供电 可以选用t i 公司的电压调节芯片t p s 7 6 7 d 3 1 8 该 芯片是t i 公司专为其d s p 设计的电源管理芯片 它封装小 需要的外围器件 少 能提供两路电压 分别是1 8 v 和3 3 v 每一路最大可提供1 a 的电流 并且可以提供2 0 0 m s 的复位信号 图3 3 为其应用电路 需要注意的是v c 5 4 0 2 有很多的电源引脚 不同的电源引脚给芯片的不矧 部分供电 芯片内各部分之间虽也有连接 但这种通道非常微小 如果只给 某一个或某一些引脚供电 很容易损坏芯片 因此 在电路设计时 应给所 喻尔滨r 样人学硕十学位论文 有的电源引脚都供电 并将所有的地都连接到系统的地 v r g v 5 1 i hl r e s e t 船 上 一一t c b 56 l i n1 0 u t 2 4 i ii1 f l 击 i l g n d1 0 u t 卵t j u 1 1 e nn c 甜j n c 2 5 g n i 7 2 n cn c 2 l r b i 器t p s 3 1 8 琵 2 口 n cn c 1 9 1 4 m cm c 1 6 n cn c 一l l 2 i n2 r e s e t 2 2 上 1 c b 9i 2 2 i n2 0 u t 1 8 一 g 厄di il1 9 2 g n d2 0 u t 盘 i 1 挖气 2 e n g n i 图3 3t p s 7 6 7 d 3 1 8 的应用电路 2 v c 5 4 0 2 与5 v 器件的接口设计 v c 5 4 0 2 的i 0 工作电压为3 3 v 在与5 v 器件接口时 存在电平兼容问 题 下面以课题使用的模数转换器a d 9 7 6 与v c 5 4 0 2 接口为例说明解决问题的 方法 表3 1 和表3 2 分别是v c 5 4 0 2 和a d 9 7 6 的输入 输出的电平标准 表3 1t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的电平标准 单位 v m i nm a x r s i n t n n m i b i o b c l k r o b c l k r l b c l k x o 2 2d v d d 十0 3 b c l k x l h c s h d s i h d s 2 t d i t m s c l k m d n v 川 x 2 c l k i n 1 3 5c v 0 3 t c k t r s t 2 5 d v d d 0 3 所有其他引脚 2 0d v i 1 0 3 v r s i n t n n m i b i o b c l k r o b c l k r l b c l k x o b c l k x l i t c s h d s l h d s 2 c l k m d n t c k o 30 6 x 2 c l k i n 所有其他引脚 一o 30 8 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 注 d v j 3 3 3 v c v i i 1 7 1 1 9 8 v 信号后加 表示低电平有效 表3 2a d 9 7 6 的电平标准 单位 v v i i iw i lv o l lv 呲 m i n2 0 0 34 o m a xv i i i g 0 3o 8o 4 注 v d i i 5 0 2 5 v 考虑a d 9 7 6 的1 6 根数据线对v c 5 4 0 2 数据线的输入 a d 9 7 6 输出低电平 的最大值是0 4 v 小于v c 5 4 0 2 数据线输入低电平的最大值0 8 v 二者是兼 容的 a d 9 7 6 输出高电平至少为4 v 大于v c 5 4 0 2 数据线输入高电平的最小值 对v c 5 4 0 2 来说 a d 9 7 6 输出的高电平它是可以识别的 但当v c 5 4 0 2 的d v d i 工作在3 3 v 时 它的数据线引脚最大可承受电压为3 6 v a d 9 7 6 输出高电平 将肯定超过这一值 长期工作在此环境下会损坏v c 5 4 0 2 所以在硬件设计时 不建议二者直接相连 解决方法是在中间增加一个缓冲器件 这个缓冲器件 可以是双电压供电 也可以是3 3 v 单电压供电并可以承受5 v 的器件 最常 用的是l v t h l 6 2 4 5 a 它是工作电压为3 3 v 的双向收发器 可以用作2 个8 位收发器或1 个1 6 位收发器 方向控制端 d i r 决定数据流向 输出使能 控制端 o e 决定两侧是否隔离 l w h 6 2 4 5 a 最大的特点就是兼容5 v 接口 还可以使用支持双电压的c p l d f p g a 作为缓冲器件 由于在电路设计中使用 的c p l d e p m 7 1 2 8 支持双工作电压 可以起到电平转换功能 所以在设计中 没有使用其他双向收发器 3 v c 5 4 0 2 的工作时钟 v c 5 4 0 2 的主频最高可达i o o m h z 如果外部时钟源也选择为i o o m h z 那么 将对周边电路产生较强的高频干扰 幸运的是v c 5 4 0 2 内部有锁相环 p l l 时钟发生电路 可以对外部时钟进行倍频 通常 外部时钟源选择i o m h z 或 2 0 m h z 的晶振 需要时 在内部进行倍频 倍频可以用软件编程 也可以用 哈尔滨 科人学硕十学位论文 跳线预设 用跳线设置倍频数时 切忌使倍频数与外部时钟源频率的乘积大 于1 0 0 m h z 否则芯片将不能正常工作 v c 5 4 0 2 外部时钟源输入引脚 x 2 c i k i n 的电平标准是参考c v d d 1 8 v 而不是d v l d 3 3 v 所以i o m h z 或2 0 m h z 的晶振 作在3 3 v 时 虽然输出 波形的振幅很小 但可以被v c 5 4 0 2 识别 4 关键的引脚连接 非屏蔽中断引脚 n m i 和4 个外部中断引脚 i n t n 都应上拉 以防 中断误触发 总线保持引脚 h o l d 和数据准备好引脚 r e a d y 不使用时 必须拉高 否则v c 5 4 0 2 不能正常工作 脱机运行时 在绝大多数情况下 要 使用v c 5 4 0 2 内部r o m 中的b o o t l o a d e r 将程序从外部非易失性存储器 e e p r o m 或f l a s h 导入内部高速r a m 中 此时必须将m p m c 目i 脚接地 使v c 5 4 0 2 工作在微计算机模式 使能内部r o m j t a g 引脚按照仿真器的要求引出 特 别是e m u o 和e m u l 引脚要注意上拉 5 外部控制逻辑的产生 v c 5 4 0 2 有三个地址空间 不能只用地址译码产生片选信号 v c 5 4 0 2 有三 个低电平有效的信号区分这三个空间的访问 分别是p s i 程序存储器空间 选择 d s 数据存储器空间选择 和t s i i 0 空间选择 这三个信号应 该参与片选信号的产生 以下是一条用v h d l 语言实现i 0 空间某个设备选择 的语句 c s 0 w h e na d x x x a n di s 0 e l s e 1 v c 5 4 0 2 的读写信号线 r w 是复用的 在很多情况下 需要分开的读 写信号 而且要满足一定的时序要求 通常由r w 娇ni o s t r b i t i 0 空i 司访 问信号 产生i 0 空间的读写信号 由r w 和m s t r b 存储器空间访问信号 产生存储器空间的读写信号 以下是两条用v h d l 语言实现i 0 空间设备读写 信号的语句 w r 0 w h e ni o s t r b 0 a n dr w 0 e l s e 1 哈尔滨l 稗人学硕十学位论文 r d 0 w h e n 0 s i r b 0 a n dr w 1 e l s e l 如果访问需要插入等待周期 一般出软件可编程等待状态发 i 器来完成 最多可插入1 4 个时钟周期 若还不能满足要求 就需要r e a d y f l 9 9 的全扫描设计确保了高品质 双电源操作3 3 0 3 v 或扩展的5 v 电源 范围为3 6 5 5 v 多中断模式实现批量和同步传输 5 2 2 p d l u s b d l 2 的主要技术描述 1 模拟收发器 集成的收发器接口可通过终端电阻直接与u s b 电缆相连 2 电压调整器 片内集成了一个3 3 v 的调整器用于模拟收发器的供电 该电 压还作为输出连接到外部1 5 kq 的上拉电阻 可选择p d i u s b d l 2 提供的带1 5 k q 内部上拉电阻的软件连接技术 3 p l l 片内集成t b m 至f j 4 8 m 时钟乘法p l l 这样就可使用低成本的6 m 晶振 哈尔滨一样人学硕十学位论文 e m i 也随之降低 p l l 的工作不需要外部元件 4 位时钟恢复 位时钟恢复电路使用4 x 过采样规则 从进入的u s b 数据流中 恢复h j 钟 它能跟踪u s b 规定范围内的抖动和频漂 5 p h i l i p s 串行接口引擎 p s i e p h i l i p ss i e 实现了全部的u s b 协议层完全 由硬件实现而不需要固件的参与 该模块的功能包括 同步模式的识别 并 行 串行转换 位填充 解除填充 c r c 校验 产生 p i d 校验 产生 地址识别 和握手评估 产生 6 s o f t c o n n e c t 与u s b 的连接是通过1 5 ko 上拉电阻将d 用于高速u s b 器 件 置为高实现的 1 5 k q 上拉电阻集成在p d i u s b d l 2 片内 默认状态下不与 v c c h 连 连接的建立通过外部 系统微控制器发送命令来实现 这就允许系 统微控制器在决定与u s b 建立连接之前完成初始化时序 u s b 总线连接可以重 新初始化而不需要拔出电缆 p d i u s b d l 2 在连接可以建立之前会检测u s bv b u s 是否可用 v b u s 可通