USB数据采集系统中DMA数据传输的实现

1、引言USB通用串行总线（Universal Serial Bus是被PC机广泛采用的一种总线，目前已经 在计算机主板上大量集成，成为一种标准配置接口。它的即插即用、真正的热插 拔、可总线供电、高性能和系统造价低等一系列的优点，使得USB接口得到了广泛的应用。特别是随着USB2.0高速传输协议的出现，其数据传输速度达到了 480Mb/s，使得USB接口顤橆D挤？为今天低成本虚拟仪器系统的主流。本文设 计了基于USB2.0高速传输的数据采集系统，整个数据传输过程完全采用DMA方式，达到了较高的数据传输速度。1、系统介绍系统总体结构如图1所示。采用Philips公司的微控制器LPC2888作为系统核

2、心控 制器。前端数据采集模块由一片 CPLD实现对数据采集和触发控制的功能。当系 统和计算机成功连接进入工作状态后，LPC2888从USB接口接收到来自应用程序 的控制命令，然后通过控制 CPLD对数据采集模块采样通道、采样速率和触发模 式进行配置后启动数据采集。CPLD控制模数转换器获取采样数据，同时配合 LPC2888通用DMA控制器的接口时序将采样数据以 DMA方式传输到LPC2888内 部缓存。最后由USB高速设备接口将采样数据从LPC2888内部缓存传输到计算 机，在计算机中实现数据记录、数据处理和波形显示等功能。5】图1系统总体结构图1.1 LPC2888微控制器LPC2888是一

3、款基于ARM7TDMI内核的微控制器，带有8kB高速缓存，最高工作 时钟频率60MHz。在结构上增加了多通道通用 DMA控制器（GPDMA。它支持存 储器到存储器，存储器到外设，外设到存储器和外设到外设的DMA传输。本系统采用GPDMA控制器实现数据从前端数据采集模块到内部缓存的DMA传输。同时，LPC2888集成有USB高速设备控制器。它完全兼容 USB2.0协议，支持USB 高速传输，理论最高传输速度 480Mb/s，其内部结构如图2所示。USB设备控制器 直接挂接在LPC2888系统内部核心总线AHB上，可以方便地与ARM控制器内核 及外部存搭枠頓挤？桓鯠MA引擎，当USB接口运行在DM

4、A模式时，DMA引擎 作为AHB总线上的主机，在ARM内部缓存和USB设备控制器缓存之间传递数 据，传输过程不需要控制器内核程序的参与，所以能够达到较高的数据传输速度。图2 USB高速设备控制器内部结构图1.2数据采集模块数据采集模块主要由信号调理电路、模数转换电路、触发控制电路和 CPLD构 成。模数转换器采用美国模拟器件公司(ADI推出的快速12位双通道模数转换器 AD9238。单双通道选择和采样频率控制通过 CPLD控制逻辑来实现。2、数据传输过程DMA方式的设计与实现系统中数据传输过程包含两个环节，一个是从 CPLD到LPC2888内部缓存，另一 个是从LPC2888内部缓存通过USB

5、接口到计算机。两个环节都采用 DMA方式传 输数据，两个环节之间的协调通过 GPDMA控制器产生的半满、全满中断来实 现。整个数据传输过程完全采用 DMA的传输方式，从而可以消除因微控制器固件 程序执行较慢而造成的对数据传输速度的影响。2.1从CPLD到LPC2888内部缓存的DMA传输CPLD从AD9238获得两个12位的转换结果，经过位数变换后送到 32位的数据信 号线。数据信号线直接连接到 LPC2888的P0 口 (32位。由于CPLD内部没有数据 缓存过程，所以为了保证不丢失采样点，从 CPLD到LPC2888内部缓存的DMA 传输必须保证连续性和实时性。为此，系统采取了如下解决方案

6、：1在LPC2888内部RAM中开辟两块相同大小的缓存空间：buffer1和buffer2。将 通用DMA控制器的通道3和通道5分别配置为搭枠頓挤？ er2的DMA通道。2配置DMA通道3和通道5为外部信号控制模式，由CPLD作为DMA数据传输 过程的主机。3 DMA通道3和通道5采用交替工作的方式，由CPLD控制逻辑实现。CPLD与LPC2888之间的硬件连接如图3所示。其中DMAEn是DMA通道的外部 使能控制信号，其上升沿启动一次 DMA操作。DMAReq是DMA数据同步信号， 该信号控制数据节拍，每次 DMA操作传输4096个数据。10 口 P2.0和P2.1分别 为启动停止和采样模式

7、选择控制信号线，实现 LPC2888对CPLD的控制。系统采用Verilog HDL语言描述CPLD控制逻辑，从CPLD到LPC2888内部缓存的DMA 传输时序如图4所示。n阳轴屮 jinjijuui：Itjulj 口f珥仆图3 CPLD与ARM接口OMAFciJ 1 |!hIJMAt n*11呢心、Knjirjuin.hfULdbocic nodbooc图4 GPDMA传输时序图 2.2 USB高速设备接口的 DMA传输USB高速设备控制器支持16个物理端点，其中4个端点支持DMA方式。本设计 中选用三个端点：EPO、EP2和EP3。控制端点EP0工作在控制传输模式，用于接 收USB主机的

8、SETUP令牌包、响应主机的标准设备请求、完成 USB设备的枚举 过程。EP2配置为OUT（输出模式，用于接收来自应用程序的控制命令。EP3配置为IN（输入模式，采用批量传输工作方式，负责将采样结果传输到PC机。从LPC2888内部缓存到计算机的DMA传输由USB高速设备控制器内部的DMA引擎 和EP3批量传输配合完成。为了达到较高的数据传输速度，EP3批量传输采用自动传输模式。DMA引擎将LPC2888内部缓存数据传输到USB设备控制器内部FIFO 缓存中，当FIFO获得的暑枠頓挤？远獍蒃P3传输到PC机。同时，当FIFO中 数据为空时，控制器将自动启动 DMA引擎继续传输数据。该环节的 D

9、MA传输过 程完全由USB高速设备控制器硬件实现，程序中只需更改 DMA源地址寄存器并 设置使能控制寄存器即可启动一次 DMA传输。2.3两个DMA传输环节的协调系统中利用GPDMA控制器产生的半满和全满中断信号协调两个 DMA对同一个缓 存空间的操作，实现了 LPC2888对整个数据传输过程的协调控制。当 DMA通道3 工作时，采样数据从CPLD传输到buffer1，同时USB高速设备控制器对buffer2中 的数据进行DMA操作;当DMA通道5工作时，采样数据传输到buffer2，USB高 速设备控制器对buffer1中的数据进行操作。如图5中LPC2888程序流程所示。1*1图5 LPC

10、2888程序流程3、上位机软件设计系统上位机软件包括两个部分：设备驱动程序和系统应用程序。开发USB设备的一个关键问题在于设备驱动程序的编写。传统的开发工具是微软公司提供的设备驱动开发工具包： Windows DDK(Device Driver Kits，以及由第三方公司基于 DDK开 发的驱动程序开发工具包：Win Driver或DriverWorks。 DDK基于汇编语言的编程方式和内核模式的调用，对于没有深厚的操作系统原理和编程水平的人员来说，任 务相当艰巨。本文使用美国国家仪器 NI (National Instruments公司开发的Nl- VISA(Virtual In strum

11、e nt Software Architecture 顤橆D挤？肰ISA生成设备驱动程 序，避开了以往开发USB设备驱动程序的复杂性，同时直接使用虚拟仪器软件设 计平台LabWindows CVI开发系统应用程序，缩短了开发周期。3.1使用NI-VISA开发USB设备驱动程序NI-VISA是NI公司开发的一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接 口。VISA总线I/O软件是一个综合软件包，它不受平台、总线和环境的限制，可 用来对USB、GPIB、串口、PCI、VXI、PXI和以太网系统进行配置、编程和调 试。使用VISA可以很容易地实现计算机应用程序和 USB设备之间的连接，降低 了设备

12、驱动的开发难度。VISA提供了两类函数供应用软件调用，USB INSTR设备与USB RAW设备。USBINSTR设备是符合USBTMC(USB测试测量类协议的USB设备，可以通过使用USB INSTR类函数控制，通信时无需配置 NI-VISA;而USB RAW设备是指除了明 确符合USBTMC规格的仪器之外的任何 USB设备，通信时要配置 NI-VISA。经过 配置后，VISA自动创建好设备驱动文件：inf文件和PNF文件。当相应的USB设 备连接到计算机时，操作系统将自动安装该设备驱动并识别该设备。3.2系统应用程序设计使用NI-VISA开发的USB设备可以在LabVIEW和LabWind

13、ows CVI中直接调用， 其中有相应的VI子节点和库函数对设备进行操作。本系统采用 LabWindows CVI开发数据采集系统应用程序。对设备的操作遵循顤橆D挤？设备，然后可以对设备进行读写、设置设备属性等操作，最后要关闭设备。目前应用程序设置有两种工 作模式：示波器模式和连续采集存储模式。示波器模式每隔一定的时间间隔启动一 次米集，米用模拟电平触发，米样长度固定，米样结果波形实时显示。连续米集存 储模式启动采集后，系统将采样结果实时地存储到数据文件中。停止采集后，应用 程序打开数据文件对采样结果进行波形显示、数据处理等操作。系统应用程序界面 如图6所示。4、系统测试结果本文对该系统主要从

14、以下四个方面进行了测试。1将CPLD内部逻辑设定为传输固定数据，如 0xAA55。系统在连续采集存储模式 下工作，获得数据文件。采用二进制文件编辑软件 UltraEdit查看数据文件，其中 所有采样点结果均为0xAA55。验证了数据传输过程的正确性。2将CPLD内部逻辑设定为传输每次增1的数据，获得采样数据文件进行查看。得 到采样点结果为递增的数据，每次增量为1。验证了数据传输过程没有丢失采样点，保证了数据传输过程的可靠性。3将CPLD内部逻辑设定为传输AD采样结果。系统工作在示波器模式下，实时查 看采样结果波形。调整输入模拟信号幅值、频率和波形，分别得到相应的采样结果 波形。验证了 AD转换

15、环节的正确性。图6所显示被采样信号为250Hz正弦信号 峰峰值5V，采样速率1MS/S。1wnl"lhbIBIlKM*-I JMVI 11'1星1Ml1 一幻 i “图6系统应用程序界面4USB接口数据传输速度测试。这里采用总线分析测试软件 Bus Hou nd测试系统的 数据传输速度。该软件可以观察 USB设备的工作情况，读取当前USB设备输入输 出数据量的大小、数据传输速度和设备属性等信息，并且灶枠頓挤 ？傅墓乳鞑跋 臁2馐允笔紫仍诵蠦us Hound软件，启动系统工作在连续采集存储模式，然后可 以在Bus Hou nd中得到系统的数据传输速度。经测试，系统最高数据传输速

16、度为 16MB/s(128Mb/s。图7所示为Bus Hou nd软件界面和数据传输速度测试结果。图7软件Bus Hou nd的界面与速度测试结果5、结论本文使用嵌入式微控制器LPC2888和CPLD成功地完成了基于USB高速传输的数 据采集系统。系统利用CPLD配合GPDMA控制器实现了从数据采集模块到 LPC2888内部缓存的DMA数据传输，利用USB设备控制器DMA引擎配合端点批 量传输实现了从缓存到计算机的 DMA传输，并通过中断对两个环节进行协调实现 了整个数据传输过程的DMA传输。经测试，系统有效数据传输速度达 128Mb/s。在USB设备驱动应用程序的开发上，本文尝试了一种新方法

17、。配置NI-VISA生成驱动程序，在LabWindows CVI中进行应用程序设计，通过 VISA控制USB设备。 实践证明：使用该方法开发的系统稳定可靠，不需要开发者了解驱动程序内核，开 发难度低，是一种简单、快速开发 USB接口应用系统的好方法。参考文献1 李华.USB仪器将成测量仪器主流国外电子测量技术，2005,10:15.2 郭云鹏，吴卫华,张珺捷.虚拟仪器技术与发展展望中国科技信息，2005,18:92101.3 NXP Semico nductors. LPC2880/LPC2888 data sheet. Versio n 02,2006,9.4 NXP Semiconductors. LPC2880/LPC2888 User mani顤橆 D 挤？ 5. 苏兰兰，施伟峰.基于VISA技术的高速USB数据采集系统.机电设备,2007,4:3639.余志荣，杨莉.基于NI-VISA与LabVIEW的USB接口应用设计.单片机与嵌入式 系统应用