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1 引言 全球定位系統(Global Positioning System，簡稱GPS)的反射信號(GPS—R)接收機根據海面的反射信號，結合電波對海面、海浪的散射理論，可獲得海面平均高度、浪高、海面風力等信息，還可監測和分析高緯地區的冰層厚度、海洋鹽度等參數，因此，GPS-R是近十多年來迅速發展的一種空基海洋遙感技術，具有廣泛的應用前景。在設計GPS-R接收機時，為了減少重量．在機載和星載條件下不允許有顯示設備，而高緯地區一20℃的溫度會使液晶顯示器失效，這些都要求將采集、壓縮后的數據存儲到U盤或硬盤中，并帶回基站進一步處理。 Texas Instruments(簡稱TI)公司的DSP具有高速運算性能，在數據采集與處理、工業控制和語音、圖像通信等領域有著廣泛的應用。通用串行總線(Universal Serial Bus，簡稱USB)是一種新型接口技術，具有設備自動識別功能，可自動安裝驅動程序和配置，可支持不同速率的同步和異步傳輸方式，且接口體積小巧，可支持熱插拔和即插即用等優點，因而得到廣泛應用。由USB規范可以看到，在USB的拓樸中居于核心地位的是計算機主機，每一次的數據傳輸都必須由主機控制。但是，隨著DSP應用領域的日益發展，USB外設的應用范圍也隨之擴大，因此迫切需要實現DSP對USB的外設控制。為此介紹了TMS320C6713的基本特點及USB嵌入式主控制器SL811HS的基本結構和性能，給出USB存儲系統的硬件連接圖和軟件設計方案。利用TMS320C6713的外設資源，系統實現與SL8lHS的連接，而且系統穩定性高。 2 硬件設計 2．1 主要器件介紹 TMS320C6000系列是TI公司推出的運算能力最強的處理器，它采用了VLIW的體系結構及流水線技術，具有兩級cache緩存結構，而且運行速度快，精度高。TMS320C6713是該系列的32位浮點DSP，其最高工作主頻可達300 MHz，處理速度高達2 400 MI／s，片上共有264 KBx8位存儲器，其中含有4 KBx8位L1Pcache,4：KBx8位L1Dcache和256 KBx8位L2RAM／cache：片上外設資源豐富，其中含有兩個McBSP、兩個McASP、兩組：I2C總線、一組GPIO、兩個32位通用定時器、一個16位主機接口HPI。此外，TMS320C6713還有32位的EMIF總線，分為4個存儲空間(CE0～CE3)，每個存儲空間的尋址范圍為256 M字節，可訪問8位、16位或32位數據寬度，每個空間均可與SDRAM，SBSRAM及異步外設實現無縫接口。 設計中，采用EMIF總線控制SL811HS。該器件是Cypress公司推出的遵循USBl．1規范的具有主／從兩種工作模式的USB控制器，支持微處理器、微控制器或DSP的USB接口設計，可按DSP的要求自動將數據整合為USB協議數據包傳輸的數據。其特點是：①基于內部集成的全／低速傳輸引擎(SIE)所產生的USB串行接口功能，可自動檢測總線速率．支持全速12 Mb／s和低速1．5 Mb／s設備；②具有8位雙向數據總線，能較為簡單地與DSP連接。片內256字節的SRAM用于數據傳輸和支持乒乓操作，其中16字節用于工作寄存器；③自動產生SOF和CRC5／16，簡化軟件工作量；④在完成傳輸事務或有外部設備接入時中斷寄存器觸發中斷，通過寫入中斷寄存器可清除中斷；⑤為提高電路的穩定性，時鐘發生器外接48 MHz晶體振蕩器，其工作電源為3.3 V，接口可承受5 V的工作電壓，并可與多種器件相連。 圖1給出SL811HS的原理框圖。與目前的ARM+內嵌USB、FPGA+操作系統+內嵌USB接口相比，因它是由DSP控制的嵌入式主控制器，可以快速存儲數據，能最大限度地利用DSP的外設資源，適合非PC設備的應用。 2．2 系統硬件接口設計 設計中使用TMS320C6713控制SL811HS存儲數據。圖2給出其總體硬件框圖。其中，電源部分可產生3．3 V和5 V電壓：數據采集部分采集數據，然后將數據送至TMS320C6713進行相應的算法處理。Flash ROM器件采用SST39IF800A，將初始化、算法和控制程序燒寫到ROM內，上電后即可初始化CSL和各寄存器。采用HY57V641620HGT一7作為SDRAM，用于暫存經過處理壓縮后的數據。 圖3給出SL811HS與TMS320C6713的硬件連接原理圖。使用EMIF總線中第2個存儲空間CEl，其數據總線低8位EDO～ED7與DO"D7相連；EA2與A0相連；讀寫信號、復位信號及中斷信號與TMS320C6713相應的信號位相連，其中SL81lHS外接48 MHz晶體振蕩器。 圖4給出TMS320C6713存儲空間分配表。由圖4可知，存儲空間CEl的地址范圍是0x90000000"0xA0000000，因此可設定TMS320C6713地址總線經CPLD相關編碼后SL811HS的片選地址是0x90080006，HOST USB數據寄存器的存儲空間為0x90080006。地址寄存器為0x90080007。 3 軟件設計 軟件設計含有初始化和驅動兩部分程序。前者用于完成芯片支持庫(Chip Support Library，簡稱CSL)提供的標準方法．以訪問和控制片上外設設備的初始化、軟件變量的初始化及使能中斷(總中斷、NMI中斷)等。TMS320C6713控制SL811HS對U盤操作的軟件設計分為：①針對SL811HS編寫USB主機控制器驅動程序；②系統調用驅動程序，以完成U盤數據讀寫的應用程序。 3．1 USB設備的配置 在設備檢測階段，SL8llHS通過讀取中斷狀態寄存器判斷中斷類型。當中斷類型為檢測到設備插入時(U盤插入USB插座會產生中斷)，配置USB設備即U盤。同時還需使能SL811HS的1 ms SOF，以便進行數據幀的同步。此時，可通過setup結構的數據包(8字節)向USB設備的控制端點O(默認控制端點和默認地址)發送命令。 當采用setup數據包配置U盤時，需將U盤的地址寫入SL811HS的寄存器4；將數據包的類型和U盤的控制端點寫入SL811HS的寄存器3。U盤配置過程的主要流程如圖5所示。在U盤的配置過程完成后，主機與USB設備之間的通信必須使用設置的地址。默認地址0不再有效，傳輸端點則為讀取配置描述符中所定義的端點號。 3．2 傳輸流程設計 在與U盤之間傳輸大量數據時，需要利用描述符提供的In，OUt端點傳送數據，并遵循Bulk—Only傳輸協議．其傳輸過程一般分為3個階段。 根據USB的協議規范，所有的傳輸都需由DSP啟動．即TMS320C6713首先向設備的OUT端點發送一命令(CBW數據包)，請求傳輸，在數據包中設定下一步的數據傳輸方向。若為設備到TMS320C6713，則當CBW發送成功后，從設備的IN端點讀取CBW中規定長度的數據；若為TMS320C6713到設備，則當CBW發送成功后，向設備的0UT端點發送CBW中規定長度的數據。 當TMS320C6713與設備之間的數據傳輸完畢后，TMS320C6713還需從設備的IN端點讀取傳送狀態，然后TMS320C6713根據接收的握手包(ACK，NAK，STALL等)即可判斷通信是否正常。若返回的結果有錯誤，還需進行相應的出錯處理。 U盤數據結構包括DBR(系統引導記錄)、FAT表、文件目錄表(FDT)。當寫一新文件時，需在FAT表中查找未使用的簇，并將該簇號寫入文件所對應目錄數據結構中的起始簇號位置。當該文件長度大于一簇時，還需在FAT表中對應的起始簇號位置填入下一可用簇的簇號，直到文件的最后一簇(FAT表中的相應位置填FFFF)為止。若磁盤有備份FAT，還需在備份FAT表的相應位置填入正確的內容。 使用U盤的Bulk端點進行數據傳輸，Bulk傳輸分為Bulk-In(TMS320C6713向外圍設備請求數據)和Bulk-Out(TMS320C6713向外圍設備發送數據)。先發送令牌包(CBW包)，再發送數據包，若發送或接收正確，則返回握手包．一次事務傳送成功。在事務傳送過程中，DATAO和DATAl是交替使用的。圖6給出一般傳輸流程。 3．3 系統速度分析 塊傳輸適合傳輸大量且對傳輸時間和傳輸速率均無要求的數據。當USB總線帶寬緊張時，它會為其他傳輸類型讓出所占用的幀／小幀時間，而其本身將被延遲，這時傳輸速率很低，占用的傳輸時間也很長；當USB總線空閑時，它能以很快的速度傳輸，其傳輸時間也很短。所以塊傳輸可發送大量的數據而不會堵塞USB總線，但其傳輸時間和傳輸速率卻得不到保證。另外，影響傳輸速度的因素很多，如指令讀取時間、執行時間，主機響應時間及數據傳輸時間等，但因采用了功能強大的DSP，其頻率配置為200 MHz。因此，能大大提高指令讀取執行和主機的相應時間。對存儲速度進行了仿真測試，其結果表明基本達到了設計要求。 4 結語 使用USB主機接口控制器SL811HS實現了對U盤的讀寫，大大降低了系統硬件設計的復雜度和系統調試的難度。同時提高了系統的集成度和穩定性，減小了系統的體積和功耗。若采用諸如FIFO類提高傳輸速度的措施．可為數據采集系統存儲大容量數據提供一種通用、方便和可靠的解決方案。若采用支持USB2．0協議的器件，可大大提高傳輸速度．為數據分析提供有利手段。在野外采集數據時。該技術能盡量存儲所需的信息，因此它的應用前景十分看好。 |
