基于DSP的USB口数据采集分析系统

随着DSP芯片功能越来越强，速度越来越快，性价比的不断提高以及开发工具的日趋完善，广泛用于通信、雷达、声纳、遥感、生物医学、机器人、控制、精密机械、语音和图像处理等领域。作为计算机接口之一的USB（Universal Serial Bus）口具有势插拔、速度快（包括低、中、高模式）和外设容量大（理论上可挂接127个设备）的特性，使其成为PC机的外围设备扩展中应用日益广泛的接口标准。本文设计并实现了基于DSP的USB口数据采集分析系统，该系统的DSP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，其结构如图1所示。

该结构图中，CPLD和FPGA实现模块接口，包括串并转换、8位和32位数据总线间的转换、SRAM等功能。采样结果经过CPLD送至DSP运算处理（FFT变换、相关分析、功率谱分析等）后，由FPGA和USB接口送至主控计算机存储和显示。计算机应用程序易于实现丰富的图形界面，具有良好的人机接口。

1 模数模块

本系统主要用于振动信号和噪声分析，要求采样精度高，采样频率不超过100kHz。根据要求选用CRYSTAL公司的CS5396。该芯片原本用于立体声采样，基于∑-Δ结构，采样精度高，24位分辨率，120dB的动态范围；采样频率32kHz、44.1kHz、48kHz、96kHz可选；内部集成采样保持器、模拟低通滤波器、数字滤波器，同时还具有时采样功能；两路同时采样，串行输出，串行数据由CPLD转换成24位并行数据；由于该芯片量程是4V，差分输入，所以模拟部分只需再加上简单量程放大电路即可。这样模拟电路十分简单，抗干扰能力强、精度高。

2 DSP处理器

选择DSP处理器时主要考虑其运算速度、总线宽度和性价比。本系统采样结构24位，最好选用32位DSP；系统要进行实时信号分析、模态分析等，要求有较高运算速度，所以选用TI公司的32位浮点DSP——TMS320VC33。该芯片采用哈佛结构，6级流水线操作，指令执行周期7ns，外设包括一个DMA控制器和一个缓冲串口。

N点复数FFT变换约做2N×Log2N次实数乘法运算和3N×Log2N实时加法运算。TMS320VC33的乘法、加法都是单周期指令，取N=1024，不计内存访问和其它时间，则一次FFT所需时间为：10×5120×17ns约0.9ms。而按96KSPS的采样频率计算，1024点的采样时间约10ms，可见该DSP速度足以满足要求。

该DSP启动模式可选，上电后执行驻留在低地址空间的BOOTLOADER；然后根据4个中断输入信号的状态判断启动模式，可以从RAM、ROM或串行口启动。本系统选择串行口方式。这样，DSP程序可以直接从PC下载送至DSP接口，做到在系统调试，具有极大的灵活性。

3 USB接口

USB协议的实现基于网络的思想，是一种共享式的总线，在总线上数据以包（Packet）的形式发送。USB的数据传送有4种模式：块传输（Bulk Transfers）、中断传输（Interrupt Transfers）、同步传输（Isochronous Transfers）、控制传输（Control Transfers）。当需要快速传输大批量的准确数据时，一般采用块传输模式；当传输实时性较强的数据时，采用中断传输模式。

当USB设备插入计算机时，计算机和USB设备之间产生一个枚举过程。计算机检测到有设备插入，自动发出查询请求；USB设备回应这个请求，送出设备的Verdor ID和Product ID；计算机根据这两个ID装载相应的设备驱动程序，完成枚举过程。

由于USB协议非常复杂，开发者不可能在底层基础上进行开发。目前，市场上对USB协议进行封装的接口芯片，如：National Semiconductor公司的USBN9602、Plilips公司的PDIUSBD12等。本系统选用CYPRESS公司的带单片机内核的EZ-USB系列的AN2131QC.该芯片遵从USB1.0规范（12Mbps），将8051单片机内核、智能USB接口引擎、USB收发模块、存储器、串行口等集成一起，从而减少芯片接口时序。其内部结构如图2（虚线内是芯片部分）。