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摘 要：已成为PC标准的通用串行总线USB具有宽带宽、高速和智能化串口的互连技术，该文介绍了基于USB接口技术对高速光弹调制偏振光信号进行DSP实时数据采集处理的系统，可以实现较传统方式更有效、更经济、更高速的数据采集、处理和传输。针对光学各向异性样品的数据采集和处理过程能在1
ms内完成，实现真正意义上的实时处理。
关键词：数字信号处理器；通用串行总线；数据采集；实时处理；光弹调制
A realtime data acquisition
& processing system
based on DSP with the USB communication interface
WANG Zongbao1，KONG Chunlin2，WANG Keyi1，YAN Jun1
(1.Precision Machinery & Precision Instrument
Dept of China Univ .of Sci.&
Tech.,
Anhui Hefei
230027,China)
Abstract：The
universal serial bus(USB) is pro vided with a high bandwidth,high speed and
intelligent series ports,which has become the PC standard.The paper gives an
introduction about a highspeed photo elasticmodulated(PEM) polarization
optical signal data acquisition & process ing system based on DSP with
the USB communication interface,which can realize t he real time data
processing function.
Key words：DSP(digital signal
processor);USB(universal serial bu s);data acquisition;realtime
processing;PEM(photoelasticmodulated)
0引言
高速数据采集定义为一种比软件控制接口所允许的速度更快的数据采集系统 ，实时系统为一种可以保证最坏情况下的延迟的系统［1］。要实现真正意义上的实 时数据采集和处理，需要有能快速处理数字信号并快速完成数据传输的接口。
数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)及其扩展应用技术的日臻成熟使得对高速信号的采集和处理能力迅速提高；通用串行总线(Universal
Serial Bus—USB)技术的发展 则为实现高速的数据传输开拓了广袤的空间。结合这二项新技术对高速光弹调制偏振光信号 进行传感测量后，实施高速数据采集，在DSP内完成处理，通过USB1.1接口协议与主机进行实时数据通信。
1通用串行总线USB
笔者利用DSP设计了基于USB总线的实时数据采集处理系统。传统的外设与主机的通讯接口一般是基于PCI总线、ISA总线或者是RS232C串行总线。PCI总线虽然具有较高的传输速度(132
Mbps)，并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限(一般为5～6个)，ISA总线显然存在同样的问题。RS232C串行总线虽然连结简单，但传输速度
慢(56 kbps)，且主机的串口数目也有限。而USB不会发生中断请求、DMA、存储器和I／O冲突。具有强大的扩展能力，通过分路连接技术，一个简单的USB控制器可以同时为127台外设服务。不过由于需要集线器，所以设备之间不能进行端到端的通信，故USB多用于比较简单
的系统［2］，比较适合该系统的应用。USB接口芯片用的是Cypress半导体公司开发 的接口芯片AN2135S，它为USB外设提供了高度集成的解决方案，图1是其功能框图［3］。
其主要特征是：
AN2135S提供基于RAM的软件解决方案，因而可以不受限制地进行配置和更新；
AN2135S是USB的全速功能控制器，它不受端点数、缓冲区大小或传输速度的限制；
AN2135S的USB核提供了大部分USB协议，编程简单易于使用。
2实时处理系统简介
2.1系统组成
整个系统包括：(1)光弹调制器；(2)传感器(硅光电池、前置直流放大器)；(3)高速A／D；( 4)DSP及其硬件扩展；(5)DSP算法(包括实时快速傅立叶变换FFT、频谱分量成分比例计算等)；(6)DSP与PC机USB接口及数据通信(可达12
Mbps)；(7)基于WIN98软件的实时控制和人机交互显示技术。
2.2DSP算法
由于系统主要用于测量光弹调制信号通过各向异性样品后的偏振光信号，其变化频率范围可以达到150 kHz，所以系统的采样和数据处理速度是关键，对于算法的选择以考虑速度为主。算法相对简单，对采样数据进行频谱分析处理后，计算各次谐波的成分比即可。故对ADC
采集来的数据以帧为单位(每帧4K＝4 096点)，采集一帧就处理一帧，并完成与PC机的数据通信等。所有的帧处理操作时间T＜1 ms，在软件上保证实时信号处理的要求。
2.3USB设备软件设计
系统软件包括设备固件、USB设备驱动程序和应用程序［4］。
设备固件(firmware)是指固化到8051E2PROM中的程序，其主要功能是：1)控制A／D转换器的采样；2)控制芯片接受并处理USB驱动程序的请求及应用程序的控制指令。
驱动程序的设计是基于WDM(Windows Driver Model)，在设计中由4个模块实现：初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块及I／O功能实现模块。
应用程序设计：用户态的应用程序是数据采集系统的中心，其主要功能为开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输通道、设置A／D状态和数据采集端口、实时采集USB接口数据、显示并分析数据。
3DSP与主机的USB数据通信
DSP与USB接口芯片AN2135S通过HPI(Host
Port Interface)进行通信，HPI是TI新一代高性能DSP上配置的与主机进行通信的片内外设。HPI接口包括HPIA(HPI地址寄存器)、HPID(HPI数据寄存器)、HPIC(HPI控制寄存器)3个16位寄存器，PC机就是通过这些专用寄存器与HPI通信。因此将DSP的HPIENA引脚上拉至＋3.3
V以使能HPI口。另外将DSP的通用输出脚XF连接至AN2135S的WAKEUP＃引脚，用来将片内的8051从挂起状态唤醒。
AN2135S的外部8位数据线直接连接至DSP的HPI数据总线；对DSP HPI口的控制由AN2135S内部的8051通过编程经I／O引脚实现。PC0／RxD0用作HPI的选通信号，连接至HPI的H
CS。PC6／WR＃和PC7／RD＃作为地址信号，与DSP的HCTL0和HCTL1相连 。PA5／FRD＃和PA4／FWR＃分别用作读、写控制信号，均为低有效，在实现时须保证它们不会同时为低。另外PC1／TxD0用作字节选择信号，PC2／INT0＃用来响应DSP的HPI中断，而PC
3／INT1＃与HPI的HRDY信号相连，AN2135S的USBD和USBD＋两个引脚分别接至USB接口的D 和D＋，同时为了保护USB接口，将USBD和USBD＋接至电气噪声瞬态保护芯片SN75240。AN2135S还预留了SDA和SCL两个引脚与I2C总线的E2PROM进行通信，实现系统上电时的自举［2］。图2给出了DSP的HPI与USB接口芯片的框图。
DSP系统控制USB控制器的工作过程可简单地概括为：当USB控制器从USB总线检测到主机启动的某一传输请求后，通过中断方式将此请求通知DSP系统，DSP系统通过访问USB控制器的状态寄存器和数据寄存器获得与此次传输有关的各种参数，并根据具体的传输参数，对USB控制器的控制寄存器和数据寄存器进行相应的操作，以完成主机的传输请求。
4结论
该设计是基于USB1.1接口协议的嵌入式DSP平台，支持12 Mbps的最高传输速率。系统对高速光弹调制偏振光信号经光电信息变换后进行采样和处理，具有智能化仪器特点，实时、准确地测量出光学样品各向异性特征参数，如定量计算样品二向异性并予以定标。同时由于USB接口的宽带宽和高速率传输，仪器软件包升级后可提供更多的功能选择，扩展灵活。
参考文献
［1］Jonathan
W.Valvano.Embedded Microcomputer Systems Real Time Interfacing［M］.2002．
［2］胡剑凌，徐盛.数字信号处理系统的应用和设计［J］.上海交通大学学报，2003，(1)：214－220．
［3］The EZUSB Technical Reference Manual［M］.Cypress Semiconductor,2000.
［4］许永和.EZUSB FX系列单片机USB外围设备设计与应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002．
［5］RealTime DSP Data Acquisition for HighSpeed Host Transfer［OL］.Texsa
Instruments Inc's Website:www.ti.com.
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