數(shù)字合成掃頻儀USB2.0接口設(shè)計(jì)

孫學(xué)君，白譜偉

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

數(shù)字合成掃頻儀的USB接口設(shè)計(jì)，分為硬件和軟件兩部分，硬件包括掃頻儀主體和USB接口兩部分，設(shè)計(jì)選用Philips公司的ISP1362作為USB接口芯片，該芯片支持USB2.0全速模式，支持OTG模式，芯片由外設(shè)控制器、OTG控制器、主機(jī)控制器、USB收發(fā)器、OTG收發(fā)器和緩存器組成，通過內(nèi)部集成的總線接口可與CPU相連。軟件部分包括接口的底層固件程序、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和用戶應(yīng)用程序。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)字合成掃頻儀電路設(shè)計(jì)

數(shù)字合成掃頻儀主要由數(shù)據(jù)處理、控制接口電路邏輯、掃頻信號(hào)產(chǎn)生與輸出、幅度與相位檢測、數(shù)據(jù)采集、USB接口等部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理部分采用ADI公司的ADSP－BF532處理器，加電后BF532實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各部分的初始化，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到幅度與相位數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)曲線描繪、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和USB通信;控制接口電路邏輯部分采用Altera的EP1C6T144實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)中采用FPGA實(shí)現(xiàn)了DDS信號(hào)發(fā)生控制、數(shù)據(jù)采集控制、鍵盤掃描、增益控制以及顯示控制;掃頻信號(hào)產(chǎn)生與輸出部分包括信號(hào)產(chǎn)生部分和輸出增益控制部分，信號(hào)產(chǎn)生部分產(chǎn)生兩路I、Q信號(hào)，其中I路信號(hào)用來實(shí)現(xiàn)相位測量，Q路經(jīng)增益調(diào)節(jié)后得到所需測量輸出信號(hào);幅度與相位檢測部分將信號(hào)的幅度與相位信息轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào);數(shù)據(jù)采集部分通過采集信號(hào)幅度和相位對(duì)應(yīng)的電壓值將幅度與相位信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，F(xiàn)PGA將采集到的數(shù)據(jù)通過SPI口送入DSP處理后得到幅度與相位曲線。

圖1 數(shù)字合成掃頻儀的硬件結(jié)構(gòu)

1.2 USB接口電路設(shè)計(jì)

Philips生產(chǎn)的ISP1362提供兩個(gè)USB端口，端口1通過軟件配置可用作上行、下行或OTG端口，若以O(shè)TG模式進(jìn)行配置，ISP1362既可做主機(jī)又可做外設(shè)，并支持主機(jī)與外設(shè)之間角色轉(zhuǎn)換的主機(jī)通信協(xié)議HNP(Host Negotiation Protocol)和對(duì)話請(qǐng)求協(xié)議SRP(Session Request Protocol)。ISP作為主機(jī)使用時(shí)，能夠關(guān)閉VBUS以響應(yīng)SRP，而作為外設(shè)使用時(shí)，能夠啟動(dòng)SRP以喚醒主機(jī)。設(shè)計(jì)中BF532通過EBIU接口與ISP1362連接，引出Host和OTG接口，OTG接口又分成一個(gè)Host接口和一個(gè)Device接口，供接USB外設(shè)使用。如圖2所示，其中CPLD為該模塊提供基地址。DSP通過向CPLD寄存器讀入狀態(tài)字或?qū)懭肟刂谱謱⒓拇嫫鞯牡刂酚成湓?DSP的 I/O空間，通過訪問CPLD中相應(yīng)的寄存器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)ISP1362狀態(tài)查詢和控制。

圖2 ISP1362和DSP連接簡圖

作為外設(shè)控制器(DC)時(shí)，ISP1362支持兩個(gè)控制端點(diǎn)，還能以全速 12 Mbit·s－1和低速 1.5 Mbit·s－1將多達(dá)14個(gè)端點(diǎn)編程為任何4種傳輸類型，并為每個(gè)端點(diǎn)分配片上緩沖RAM空間，緩沖存儲(chǔ)器獨(dú)立于主機(jī)控制器緩沖存儲(chǔ)器，當(dāng)緩沖存儲(chǔ)器溢出，DC將數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB總線上，當(dāng)緩沖存儲(chǔ)器是空的，產(chǎn)生一個(gè)中斷通知微處理器提供數(shù)據(jù)。這里提到的微處理器和DC之間數(shù)據(jù)的傳輸可以是PIO(Programming Input/Output)模式或者 DMA(Direct Memory Access)模式［1］。設(shè)計(jì)中ISP1362與ADSP－BF532之間采用中斷方式進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)中所需傳輸數(shù)據(jù)量大，且對(duì)傳輸時(shí)間和速率均無具體要求，因此采用塊傳輸(ATL)方式傳輸數(shù)據(jù)，ISP1362的設(shè)備控制器內(nèi)置了一個(gè)2462 Byte的緩沖存儲(chǔ)器，這里將端點(diǎn)1配置成雙緩沖，每個(gè)緩沖大小為256 Byte。當(dāng)傳輸準(zhǔn)備就緒時(shí)，DSP將數(shù)據(jù)寫入其中一個(gè)緩存，當(dāng)緩存被寫滿時(shí)，數(shù)據(jù)通過SIE傳輸給計(jì)算機(jī)，傳輸同時(shí)DSP向另一個(gè)緩存寫數(shù)據(jù)。當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)被完全讀取后，DSP會(huì)繼續(xù)向緩存中寫數(shù)據(jù)寫滿為止［2］。圖3給出ISP1362外圍電路設(shè)計(jì)，前面提到為方便后續(xù)升級(jí)，硬件上配置為OTG模式，OTG規(guī)范是對(duì)USB2.0規(guī)范的補(bǔ)充，允許便攜式設(shè)備成為受限的USB主機(jī)，以代替特定功能的PC［3］。

圖3 ISP1362外圍電路設(shè)計(jì)

2 軟件設(shè)計(jì)

USB接口的軟件設(shè)計(jì)主要包括USB接口的固件程序、USB驅(qū)動(dòng)程序以及用戶應(yīng)用程序3部分，底層固件程序控制整個(gè)硬件系統(tǒng)的運(yùn)行，并負(fù)責(zé)處理PC機(jī)發(fā)來的各種USB請(qǐng)求，以完成數(shù)據(jù)傳輸;驅(qū)動(dòng)程序包含WDM(Windows Driver Mode)驅(qū)動(dòng)程序所需的入口例程、即插即用例程、分發(fā)例程、電源管理例程和卸載例程;應(yīng)用程序?yàn)橛脩籼峁┡c軟面板的接口，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析［4］。

2.1 底層固件程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用VisualDSP++5.0平臺(tái)設(shè)計(jì)底層固件程序。該固件程序包含cpu.c，文件實(shí)現(xiàn)了ADSPBF532一些常用的初始化函數(shù);usb_bfinit.c實(shí)現(xiàn)了USB工作下ADSP－BF532的一些常用初始化函數(shù);usb－isp1362.c實(shí)現(xiàn)了USB的通信功能;main.c實(shí)現(xiàn)了具體的傳輸功能，當(dāng)DSP檢測到ISP1362產(chǎn)生的中斷時(shí)，根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令進(jìn)入相應(yīng)的傳輸程序，控制isp1362的設(shè)備功能向計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。頭文件實(shí)現(xiàn)對(duì)isp1362的寄存器和各種控制命令進(jìn)行定義。

2.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB驅(qū)動(dòng)程序是基于WDM的內(nèi)核程序，驅(qū)動(dòng)程序由運(yùn)行于內(nèi)核模式的系統(tǒng)級(jí)代碼組成。USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序包括USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序，Windows操作系統(tǒng)中嵌入了USB總線驅(qū)動(dòng)程序、USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序以及通用的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，如U盤、USB接口的其他數(shù)碼設(shè)備等。設(shè)計(jì)的USB設(shè)備是特殊功能的設(shè)備，Windows操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不支持其運(yùn)行，因此需要編寫特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)計(jì)中采用Visual StudioC++.NET+WindowsXPDDK+DriverStudio 3.2綜合平臺(tái)進(jìn)行本設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，運(yùn)用DriverWizard生成驅(qū)動(dòng)程序的基本框架，該驅(qū)動(dòng)程序框架包含了幾個(gè)基本類，然后在VC集成環(huán)境下修改有關(guān)程序，增加相關(guān)的具體操作代碼以完成應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序之間的信息交換，包括驅(qū)動(dòng)入口例程、加載設(shè)備和卸載驅(qū)動(dòng)例程，設(shè)備的枚舉、打開、讀寫、關(guān)閉設(shè)備和入口端點(diǎn)等函數(shù)設(shè)計(jì)。

2.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)運(yùn)用NI的Lab Windows CVI9.0開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)，該程序主要完成以下幾方面功能:(1)與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，讀取下位機(jī)所采集到的點(diǎn)數(shù)據(jù)并將其以圖像的形式實(shí)時(shí)顯示。并且可對(duì)顯示的圖像進(jìn)行移位、參考點(diǎn)選擇、頻率標(biāo)記、相關(guān)參數(shù)計(jì)算等功能。(2)將下位機(jī)的參數(shù)設(shè)置信息以.dat文件的形式保存，在需要時(shí)可調(diào)用保存的設(shè)置信息對(duì)下位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與控制。還可將下位機(jī)顯示的波形文件以及相關(guān)的參數(shù)以word形式保存。(3)用戶界面模擬下位機(jī)儀器的操作面板進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示。界面分為6個(gè)區(qū)域，包括參數(shù)設(shè)定區(qū)域、測量功能設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置、信號(hào)源設(shè)置、圖形顯示界面以及相關(guān)參數(shù)顯示區(qū)域。參數(shù)設(shè)定區(qū)域主要用于設(shè)置頻率參數(shù)、參考電平、輸入輸出阻抗等;測量功能設(shè)置;系統(tǒng)設(shè)置包括系統(tǒng)復(fù)位設(shè)置、接口與之間設(shè)置、幅度與相位校正設(shè)定以及存儲(chǔ)設(shè)定;信號(hào)源設(shè)定頻率參數(shù)帶寬、幅頻與相頻測量開關(guān)、顯示刻度與參考位置設(shè)定;圖形顯示主要是將采集到的點(diǎn)數(shù)據(jù)以圖形的形式連續(xù)顯示以及頻標(biāo)等標(biāo)記符號(hào)顯示;相關(guān)參數(shù)顯示區(qū)域顯示圖形的顯示格式與顯示方式，輸出電平與輸出狀態(tài)，中心頻率及掃描帶寬、顯示刻度與參考電平;點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕可對(duì)下位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)操作，即用主機(jī)來控制下位機(jī)工作。

圖4 用戶界面

3 結(jié)束語

從硬件和軟件兩方面對(duì)數(shù)字合成掃頻儀的USB接口設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳輸數(shù)據(jù)量大、操作方便、設(shè)計(jì)靈活且易于升級(jí)的特點(diǎn)。USB接口的設(shè)計(jì)硬件配置為OTG模式，方便數(shù)字合成掃頻儀作為Host和其他USB設(shè)備進(jìn)行通信，如U盤等存儲(chǔ)設(shè)備，更為方便地存儲(chǔ)經(jīng)DSP處理后的數(shù)據(jù)。經(jīng)測試與實(shí)驗(yàn)表明，基于ISP1362設(shè)計(jì)的USB接口能夠使數(shù)字合成掃頻儀穩(wěn)定、準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)，且能同步進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和下傳，滿足設(shè)計(jì)需求。

［1］Philips.ISP1362 single－chip universal serial bus on－thego controller［M］.Ultra:Philips Conpration，2004.

［2］吳慧鑫，王厚軍.數(shù)字存儲(chǔ)示波器中USB接口功能的開發(fā)［J］.自動(dòng)化信息，2007(8):33－34.

［3］周立功.USB2.0與OTG規(guī)范及開發(fā)指南［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［4］劉君華.虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［5］王西龍.通用串行總線(USB)設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，6(4):143 －146.