基于DSP的USB转存系统的设计

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：电子信息工程班级：学生姓名：学号：指导教师：完成日期：目录摘要 (II)1 设计目的 (1)2 设计要求 (1)3 设计内容 (2)3.1系统概述 (2)3.2方案设计 (5)3.3器件选型 (7)3.4硬件设计 (10)3.5软件设计 (15)总结与致谢 (20)参考文献 (21)附录 (22)摘要现在，数字信号处理理论和计算机的不断发展及日常生活的不断应用，在今天现代化的工业生产和科学技术研究领域都需要借助于数字处理方法。

进行数字处理的先决条件是将所研究的对象进行数字化，所以数据采集、处理技术以及数据的转存技术日益得到重视。

在图像处理、瞬态信号检测、软件无线电等众多领域，更是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集、处理技术以及转存技术。

现在的高速数据采集处理卡一般采用高性能数字信号处理器（DSP）和高速总线技术的框架结构。

DSP用于完成计算量巨大的实时处理算法，高速总线技术则完成处理结果或者采样数据的快速传输。

目前，USB 总线由于具有安装方便、高带这、易扩展等优点，其中USB2.0标准有着高达4800bps 的传输速率，已经逐渐成为计算机接口的主流。

本文介绍一个采用USB接口和高性能DSP的高速数据采集处理系统，实现一个能将采集的数据通过USB接口转存的系统。

关键词：DSP；USB；数据采集；数据处理；数据转存1 设计目的基于DSP的USB转存系统的设计。

数字信号处理和计算机的不断发展，在日常生活的不断应用，像现代化的工业生产和科学技术研究领域都需要借助于数字处理方法。

进行数字处理的是将所研究的对象进行数字化，数据采集、处理技术以及数据的转存技术日益得到重视。

特别是要求高速度、高精度、高实时性的数据采集、处理技术以及转存技术。

现在的高速数据采集处理卡一般采用高性能数字信号处理器（DSP）和高速总线技术的框架结构。

本次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，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 设计要求本次设计有如下要求：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。

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。

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。

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。

根据设计题目的要求，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系统背景概述随着数字信号处理理论和计算机的不断发展,现代工业生产和科学技术研究都需要借助于数字处理方法进行数字处理。

处理的先决条件是将所研究的对象进行数字化，因此数据采集与处理技术日益得到重视，在图像处理瞬态信号检测软件无线电等一些领域更是要求高速度高精度高实时性的数据采集与处理技术，现在的高速数据采集处理卡一般采用高性能数字信号处理器(DSP)和高速总线技术的框架结构。

DSP用于完成计算量巨大的实时处理算法高速总线技术，则完成处理结果或者采样数据的快速传输。

受计算机插槽数量和地址中断资源的限制而不可能挂接很多设备等，USB总线由于具有安装方便高带宽易扩展等优点，其中USB2.0 标准有着高达480bps 的传输速率已经逐渐成为计算机接口的主流，本文介绍一个采用USB2.0接口和高性能DSP的高速数据采集处理系统。

DSP系统处理的数据量越来越大，急需与主机间高速便捷的接口，USB接口以其480Mbit／s的传输速率及便捷的使用方法，成为不二选择。

但USB协议本身异常复杂，应用系统开发难度较高。

介绍了USB接口的开发，重点说明了系统硬件结构，叙述了固件程序、嵌入程序的工作流程，最后展示了主机程序的运行界面。

实验表明在DSP系统上开发的USB2.0接口可以稳定地工作。

3.2系统设计本次设计基于TMS320C6416和USB2.O芯片设计的一套多功能高速、高精度便携式数据采集处理系统。

该系统的DSP主要用来负责数据的采集和完成一定的数字信号处理功能，采集到的数据通过USB口传到PC主机上进行显示、计算和分析等。

通过上层丰富的虚拟仪器软件，可以实现各种图形操作界面和各种信号处理算法，从而达到对所采集到的信号进行分析，是一套既实用又方便的虚拟仪器系统。

3.2.1DSP数据采集处理系统原理在电子测量中,常常需要对高速信号进行采集与处理,对数据采集与处理系统也提出乐严格的要求。

本设计了一种基于DSP的高速数据采集与处理系统。

该设计方案电路简单、可靠性好、具有一定的通用性、可以进行多通道扩展。

系统主要包括高速A/D、高速缓存、DSP处理器、通讯接口四个部分,其结构示意图如图所示。

高速缓存是系统中的一个关键环节,根据系统的需求我们选用CY7C4245。

CY7C4245是高速、低功耗4K×18 FIFO存储器,读写周期为10ns,具有独立的18位输入、输出接口和读、写时钟信号,可以实现同步读写操作。

CY7C4245提供五种状态指示:Empty、Almost Empty、Half Full、Almost Full、Full,分别代表当前数据存储的深度。

其中Almost Empty 和Almost Full 为可编程空满状态位,可根据系统的需求对存储进行设定。

FIFO的状态信息代表了已采样的点数,当采样点数达到预期的数量时,相应的状态位置位,触发DSP的外部中断,中止测量过程,由 DSP读取数据进行处理。

（4）信号处理数字信号处理是DSP应用的主要方面。

DSP所提供的数学运算能力和运算速度远远高于单片机,具有更为丰富的指令集和更大的内存空间,可以实现较为复杂的数学算法。

DSP首先要完成数制转换,AD9432的量程为-500mV～+500mV。

对于负电平,采样数据以二进制补码的形式输出,需将12位补码转换为16位二进制整数;更为重要的是DSP要实现系统所要求的数字信号处理算法,如快速维纳滤波、FFT等3.2.2USB的转存设计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：USB 结构图EZ-USB 的8051代码（Firmware ）可以固化在ROM 内;更好的方案是通过USB 口从主机下载到内部RAM,这样,易于修改、调试和更新。

之所以能下载代码是因为芯片一上电完全在硬件上自动完成枚举过程,不需要Firmware 。

完成枚举后便可作为一个USB 设备（叫做缺省USB 设备）与计算机通讯,此时即可进行Firmware 下载。

下载完后,8051内核脱离RESET 状态开始执行代码。

可以通过Firmware 对USB 设备重新配置,这个重新配置过程叫做再枚举。

3.2.3基于DSP 的USB 转存系统整个高速数据采集处理系统的硬件构成为高速ADC 高速大容量数据缓冲高性能，DSP 和USB2.0接口系统的原理框图如图1所示。

高性能DSP 采用TI 公司的TMS320C6000系列定点DSP 中的TMS320C6416，高速ADC 采用TI 公司的ADS5422的14位，其最高采样频率为62MHz 。

PC 机接口采用USB2.0，理论最大数据传输速率为480Mbps 。

器件选用Cypress 公司EZ-USBFX2系列中的CY7C68013，数据缓冲采用IDT 公司的高速大容量FIFO 器件IDT72V2113程序存储在Flash 存储器中器件选用SST29lE010。

(1)TMS320C6416DSP 是整个采集系统的核心,本文中选用 TMS320C6416。

该产品属于TI 公司采用CMOS 集成电路技术生产的TMS320C 系列,设计结构及其汇编指令集与TMS320C 相兼容,其主要特点如下:(1)运算速度可以达到40MIPS;(2)4.5K 片内RAM 和32K 片内FLASH 存储器;(3)32位算术逻辑单元和32位累加器;(4)16位地址总线和16位数据总线;(5)具有一个异步串行通讯接口和一个同步串行通讯接口,异步串行口具有波特率自动检测功能;(6)价格低廉。

TMS320C6416是美国TI公司高性能数字信号处理器TMS320C系列的一种，采用修正的哈佛总线结构，共有1套256位的程序总线、两套32位的程序总线和1套32位的DMA 专用总线，内部有8个功能单元可以并行操作，工作频率最大为300MHz最大处理能力为2400MIPS，内部集成了丰富的外围设备接口，如外部存储器接口(EMIF)外部扩展总线(XB) 多通道缓冲串口(MCBSPS)和主机接口(HPI)与外部存储器协处理器主机以及串行设备的连接非常方便。