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1 USB2.0概述 USB(通用串行總線)安裝過程簡單，不必考慮資源分配，不必關(guān)掉計算機電源，易擴展(可擴充至127個外部設(shè)備)。隨著USB升級到2.0標(biāo)準(zhǔn)，USB2.0總線的傳輸速度理論上可高達(dá)480 Mbit/s，不僅使USB總線完全能滿足需要大批量數(shù)據(jù)交換的外設(shè)的要求，而且使USB總線可應(yīng)用于實時信號處理系統(tǒng)。 USB總線有以下4種數(shù)據(jù)傳輸方式： a)控制傳輸：主要用于主機把命令傳給沒備及設(shè)備把狀態(tài)返回給主機。任何一個USB設(shè)備都必須支持一個與控制傳輸類型相對應(yīng)的端點0。 b)中斷傳輸：用來支持那些偶然需要少量數(shù)據(jù)通信、但服務(wù)時間受限制的設(shè)備。 c)批量傳輸：用來傳輸大量數(shù)據(jù)而沒有周期和傳輸速率嚴(yán)格要求的設(shè)備上。 d)同步傳輸：要求恒定速率，發(fā)送方和接收方都必須保證傳輸速率的匹配，不然會造成數(shù)據(jù)的丟失。 本系統(tǒng)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，且傳輸時機受設(shè)備控制。因此采用中斷傳輸+批量傳輸?shù)脑O(shè)計方法，即PC主機起始使用中斷傳輸端點，采用中斷傳輸方式輪詢設(shè)備，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備有數(shù)據(jù)需要傳輸，立即轉(zhuǎn)到批量傳輸端點，在真正的數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用批量傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)。 2 ISP1581簡介 ISP1581是Philips公司推出的一種價格低、功能強大的USB設(shè)備接口芯片，完全符合USB2.0規(guī)范。ISP1581需外接微控制器或微處理器對它進行控制，它支持與大多數(shù)MCU和DSP的連接。ISP1581的外部接口有通用處理器模式和斷開總線模式(由引腳BUS_CONF控制)。在斷開總線模式下，處理器接口使用多路復(fù)用的8位地址/數(shù)據(jù)總線AD[7..0]和單獨的DMA(直接存儲器存取)總線DATA[15..0]。本系統(tǒng)采用斷開總線模式、16位數(shù)據(jù)總線的MDMA(主機DMA)方式。 3 硬件設(shè)計 其中USB接口芯片選用ISP1581，EPLD選用EPM7128S，MCU選用的是Cygnal的c8051f120單片機。 系統(tǒng)設(shè)計思路如下：ISP1581和MCU的連接采用斷開總線模式，數(shù)據(jù)傳輸使用MDMA模式，ISP1581的16位DMA總線與FIFO的輸出端相連，A/D模塊的16位數(shù)據(jù)輸出總線與FIFO的輸入端相連。FIFO的寫信號由定時芯片8254根據(jù)A/D采樣頻率產(chǎn)生，F(xiàn)IFO的讀信號直接由ISP1581的DIOR給出(MDMA模式下)，MDMA開始傳輸信號也由8254產(chǎn)生，連接到MCU的一個中斷引腳，用于啟動MDMA。ISP1581和8254的片選信號以及8254的地址、數(shù)據(jù)、控制等信號均在EPLD內(nèi)產(chǎn)生。通過8254和EPLD的設(shè)置，可以保證FIFO讀和MDMA寫時序的配合。在本系統(tǒng)中，c8051f02x需要大量訪問ISP1581的內(nèi)部寄存器，因為c8051f系列采用數(shù)據(jù)空間和I/O空間統(tǒng)一尋址方式，必須采用full memory模式，即將ISP1581作為一個普通外設(shè)映射到c8051f02x外部存儲空間的I/O空間。 4 固件程序設(shè)計 本系統(tǒng)的固件程序包括單片機固件編程和EPLD方程設(shè)計兩部分。單片機固件編程用于完成對ISP1581控制，處理主機發(fā)送來的一切請求，啟動MD-MA開始傳輸命令等；EPLD方程設(shè)計用于產(chǎn)生各種外設(shè)的片選等，控制MDMA傳輸及FIFO、8254等外圍芯片的時序配合。 4．1 單片機固件編程 單片機程序處理一切由主機發(fā)送來的USB請求(包括標(biāo)準(zhǔn)請求和自定義的廠商請求)，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。本系統(tǒng)使用cygnal的e8051f系列單片機，所以相應(yīng)使用該單片機配套的silieon Labora-tories IDE集成開發(fā)環(huán)境，采用C51語言編程，使用該系列單片機配套的U-EC3仿真器，可以設(shè)斷點、在線編程、即時仿真、在線查看單片機內(nèi)部寄存器的值。因為c8051f系列采用數(shù)據(jù)空間和I/O空間統(tǒng)一尋址方式，對ISP1581所有寄存器的訪問均與單片機對普遍外設(shè)的訪問方式相同。需要指出的是，C8051f12x系列單片機速度很快(最快可以達(dá)到100 MHz)，且指令較傳統(tǒng)ISP8051系列有很大優(yōu)化，大多數(shù)指令為單指令周期，這對提高DMA傳輸速度很有幫助，因為每次DMA傳輸有很多地方需要單片機的參與，具體參見下面"處理DMA請求"部分。下面重點論述使用MDMA部分的固件程序設(shè)計。 1)MDMA傳輸初始化 功能包括： a)設(shè)置DMA配置寄存器，指定DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線位數(shù)(本系統(tǒng)用16位數(shù)據(jù)總線)。 b)設(shè)置DMA硬件寄存器，指定DMA傳輸方式(MDMA還是GDMA)以及設(shè)置DACK、DIOW、DIOR、DREQ信號的極性。本系統(tǒng)使用MDMA方式，設(shè)置這些信號為低有效。 c)設(shè)置DMA中斷使能寄存器，激活指定中斷源。我們設(shè)置可以產(chǎn)生DMA中斷的源有內(nèi)部EOT信號和DMA傳輸結(jié)束(即DMA傳輸計數(shù)器值變?yōu)?)。需要注意的是，此處DMA中斷使能寄存器不同于ISP1581的中斷寄存器，兩者的設(shè)置方法不同。 d)設(shè)置選通時間寄存器，指定MDAMA方式下DIOW或DIOR的周期。應(yīng)在滿足ISF1581最小讀寫周期的前提下，使該周期盡可能小，這可以顯著提高DMA傳輸速度。經(jīng)測試，應(yīng)設(shè)置該寄存器的值為0x01。這部分代碼可以放在程序的起始部分，需要注意的是，在初始化ISP1581的各寄存器時，應(yīng)首先設(shè)置DMA命令寄存器為Ox11，使其處于上電復(fù)位狀態(tài)。 2)處理DMA請求 主機發(fā)送指定傳輸大小的DMA讀的廠商請求后(傳輸大小應(yīng)等于每個中斷間隔內(nèi)A/D采樣數(shù)據(jù)大小，以保證所有采樣數(shù)據(jù)不會丟失)，單片機響應(yīng)該請求，進入相應(yīng)函數(shù)處理DMA請求。具體編程如下： a)設(shè)置DMA端點寄存器，指定DMA傳輸使用的端點。需要注意，為防止DMA端點寄存器與當(dāng)前使用的端點索引寄存器相同，應(yīng)首先指定端點索引寄存器為一個與DMA端點寄存器不同的端點值。 b)設(shè)置DMA傳輸計數(shù)器寄存器，指定本次DMA傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。當(dāng)然，這個數(shù)越大，DMA傳輸?shù)乃俣仍娇欤P者經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，該數(shù)不要大于65535，否則可能MDMA傳輸會失敗。而且該數(shù)最好是512的整數(shù)倍，這可以保證沒有短包傳輸。 c)設(shè)置DMA命令寄存器為0x06(表示MDMA讀)，開始MDMA傳輸。 d)程序應(yīng)循環(huán)查詢DMA中斷寄存器的值，判斷本次傳輸是否完成，如果完成，則清DMA中斷寄存器，退出循環(huán)，完成本次DMA傳輸。 3)中斷程序設(shè)計 本系統(tǒng)中需要用到2個外部中斷，分別對應(yīng)2個中斷程序。第1個中斷函數(shù)用于讀出并保存當(dāng)前所有ISP1581發(fā)出的中斷的拷貝。注意，我們不僅要保存中斷寄存器的值，還要保存DMA中斷寄存器的值。需要強調(diào)的是，因為ISP1581是全中斷驅(qū)動的，所有的信息交互都通過中斷完成，PC機對ISP1581的任何操作都會引起ISP1581相應(yīng)的中斷，進而單片機通過查詢1581中斷寄存器判斷并處理中斷。第2個中斷函數(shù)是8254發(fā)給單片機的，當(dāng)完成指定周期的A/D數(shù)據(jù)采樣后，8254通過本中斷程序通知單片機啟動MD-MA開始傳輸標(biāo)識，即轉(zhuǎn)到上述"處理DMA請求"部分，讀FIFO中的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計8254每隔5 ms左右產(chǎn)生一次中斷，進行DMA傳輸。 系統(tǒng)采用中斷傳輸+批量傳輸?shù)姆椒ㄔO(shè)計中斷程序，即如果數(shù)據(jù)采集模塊有數(shù)據(jù)需要傳給主機，首先采用中斷傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)通知主機，方法是在本段函數(shù)的起始部分通過固定的中斷傳輸端點發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)以與驅(qū)動程序部分吻合，然后使用批量傳輸端點實際傳輸數(shù)據(jù)；而主機端應(yīng)用程序則不斷輪詢該中斷傳輸端點，若接收到8個字節(jié)固定格式的數(shù)據(jù)，馬上采用批量傳輸方式接收數(shù)據(jù)。該方法不但利用了中斷傳輸方式的實時性(1 ms以內(nèi))，而且充分利用了批量傳輸?shù)母咚俾省Ｈ鬎IFO的讀寫和8254的時序設(shè)計得當(dāng)，利用該方法，可以實現(xiàn)10 MB/s以上的數(shù)據(jù)錄入。在實驗中，我們已經(jīng)做到了8 MB/s的錄入速度。 USB驅(qū)動程序?qū)⒘砦脑斒觥９P者認(rèn)為，第1個中斷程序的優(yōu)先級應(yīng)不低于第2個程序，這樣可以保證ISP1581發(fā)出的所有中斷可以立即得到執(zhí)行。 4.2 EPLD方程設(shè)計 EPLD的功能主要包括提供ISP1581的cs及DREQ信號，提供8254的片選、地址、數(shù)據(jù)、控制、時鐘輸入等信號，以及提供FIFO的FIFO_RESET、FIFO-WR、FIFO-RD等信號和A/D轉(zhuǎn)換模塊的CLK、START等信號。重點是如何使用MDMA傳輸?shù)膸讉�最重要信號DREQ、DACK、DIOW、DIOR、EOT信號。查詢芯片手冊，在MDMA模式下，DREQ為輸入信號，DACK、D1OW、DIOR、EOT為輸出信號。也就是說，當(dāng)設(shè)置DMA命令寄存器為0x06(主機DMA讀)時，ISP1581開始不停地查詢DMA請求信號DREQ是否為低，若DREQ為低，則傳輸開始；否則一直查詢。因此，可在EPLD中設(shè)置DREQ接地，這樣可以保證當(dāng)設(shè)置DMA命令寄存器為0x06時，1581立即進行傳輸。D1OR為輸出信號，由1581提供，可直接作為FIFO的讀信號；FIFO的寫信號由8254的一個輸出引腳提供，8254應(yīng)根據(jù)A/D采樣頻率初始化該定時器，輸出該引腳。 5 結(jié)束語 本文提出了一種使用USB2.0芯片。ISP1581實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案。MDMA的DIOR周期為120 ns左右，因此ISP1581在主機DMA模式下，理論上最高傳輸速度應(yīng)為約16.6 MB/s(1000/120×16=132.8 Mbit/s=16.6 MB/s)。在實驗中，我們使用的主機端配置為Windows2000+PⅣ3.0 GHz+512 MBDDR RAM，在批量模式下傳輸速度現(xiàn)已達(dá)到13 MB/s～15 MB/s(主機配置不同，傳輸速度也會相應(yīng)有所改變)，中斷模式下傳輸速度達(dá)到1 MB/s～1.5 MB/s(約每隔0.5 ms進行一次中斷傳輸，每次傳輸512字節(jié))，基本達(dá)到ISP1581 MDMA方式下速度上限，且傳輸模式、每次采樣時間間隔、每次采樣數(shù)據(jù)大小均可通過軟件調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)現(xiàn)已實際投產(chǎn)，應(yīng)用于某雷達(dá)。 |
