基于TMS320C6713的USB數據傳輸系統設計

　　摘要：介紹了基于TMS320C6713的USB數據傳輸系統。該系統以TMS320C6713作為主控制器，通過CY7C68001USB控制器連接TMS320C6713與PC主機，克服了傳統的數據傳輸量小，傳輸速度慢的缺點，能更好地滿足大容量數據的傳輸要求。在此詳細闡明了系統的硬件設計方案和軟件設計思想，并進行實現。結果證明，研制的系統具有傳輸速率高，可靠性好的優點。
　　
　　引言
　　
　　近年來，隨著DSP技術的不斷發展，數據采集和處理技術已經廣泛應用于通信、雷達、遙測遙感等各個領域。聲信號數據采集具有采集量大，速度快的特點，因此，在DSP與主機進行數據傳輸時，需要采用高速通信接口。傳統的接口一般采用PCI總線或RS232串行總線。PCI總線傳輸速率可達132Mb／s，但其擴充槽有限且插拔不方便；RS232串行總線連接比較方便，但是傳輸速率太慢，不易用于高速傳送數據和傳送大量數據。隨著計算機技術的不斷發展，越來越多的計算機不再為用戶提供PCI和RS232外部接口，USB逐漸成為統一的標準外設接口。通用串行總線（USB）集中了PCI和RS232串行總線的優點，具有方便的即插即用和熱插拔特性以及較高的傳輸速率。其中，USB2．0的速率zui高可達480Mb／s，滿足高速數據傳輸的要求。
　　
　　該系統采用TMS320C6713，配合嵌入USB2．0協議的芯片CY7C68001，實現了PC主機與DSP間的高速數據傳輸。
　　
　　1、芯片介紹
　　
　　TMS320C6713為高性能32位浮點DSP，適用于專業音頻信號處理，其主頻可達300MHz，處理速度高達2400MIPS／1800MFLOPS。其內部采用改進的哈佛結構；具有256KB的片上存儲空間；豐富的外設包括2個多通道緩沖串口（McBSP）、2個多通道音頻串口（McASP）、SPI和I2C等；增強的直接存儲器訪問（EDMA）控制器，可控制16個獨立通道完成不受CPU干預的數據傳輸；32b的外部存儲器接口（EMIF），能與SRAM，ERPOM，FLASH，SBSRAM和SDRAM無縫連接。
　　
　　Cypress公司的CY7C68001集成了USB2．0收發器（物理層）以及USB2．0串行接口引擎SIE（鏈路層，實現底層通信協議），可工作在USB2．0高速和全速狀態。它的zui高速度可達480Mb／s，具有2個外部接口，均可通過同步或異步方式進行訪問。其命令接口用來訪問CY7C68001寄存器、Endpoint0寄存器以及描述表，FIFO數據接口用來訪問4個1KB的FIFO。
　　
　　2、硬件設計
　　
　　TMS320C6713通過EMIF的CE3存儲空間可以外擴USB2．0接口，因此在對外擴USB進行讀／寫訪問前，需要通過EMIF的CE3控制寄存器CE3CTL來配置CE3空間的存儲器接口的類型、存儲器寬度及讀寫時序（建立時間、系統時間、保持時間等），具體配置在USB程序配置中詳細給出。
　　
　　CY7C68001采用并行異步存儲器接口通過可編程邏輯芯片CPLD與TMS320C6713相連接。其原理框圖如圖1所示。　　
　　由于在USB數據傳輸過程中，EMIF接口的片選信號會長時間片選CE3空間，因此，需要避免TMS320C6713在USB數據傳輸過程中使用通過EMIF接口通過其他CEX空間外擴的SDRAM、SBSRAM等存儲器，否則會造成USB數據的錯誤傳輸。
　　
　　CY7C68001除了存儲器接口外，還有1個中斷信號和4個狀態信號（READY，FLAGA，FLAGB和FLAGC）。中斷信號采用TMS320C6713的外部中斷EXT_INT6。
　　
　　TMS320C6713使用CY7C68001作為從設備。在這種模式下，DSP可以像讀／寫普通FIFO一樣對CY7C68001內部的FIFO進行讀／寫。PC主機發出命令的同時也由CY7C68001的引腳提供中斷觸發信號給DSP的EXT_INT6。其上升沿被檢測到以后，DSP就進入相應中斷服務程序，開始處理USB的傳輸。DSP通過EA[4：2]連接FIFOA[2：0]對CY7C68001內部FIFO或命令口進行選擇。讀／寫數據通過ED[15：0]與FIFO[15：0]連接進行。FIFO和命令口的選擇和地址分配如表1所示。　　
　　經實驗驗證，USB異步傳輸速率可達3Mb／s。
　　
　　3、USB程序配置
　　
　　USB程序在實現了在DSP端對USB初始化和USB數據傳輸。USB定義了4種傳輸類型：同步傳輸、中斷傳輸、控制傳輸和塊傳輸。同步傳輸適用于傳輸大量的、速度恒定的、且對服務周期有要求的數據；中斷傳輸適用于傳輸少量或中量的、且對服務周期有要求的數據；控制傳輸適用于傳輸少量的、且對傳輸時間和傳輸速率均無要求，但必須保證傳輸的數據；塊傳輸適用于傳輸大量的、且對傳輸時間和傳輸速率均無要求的數據。該系統設計CY7C68001采用并行異步存儲器接口與TMS320C6713相連接，數據傳輸量較大，要求數據傳輸的準確性，因此選擇塊傳輸作為USB的傳輸方式。
　　
　　首先，通過調用用戶的初始化函數，使能外部中斷并初始化USB寄存器。之后，程序通過數據傳輸函數，完成了DSP與PC機的數據傳輸。
　　
　　USB初始化程序配置為：使能外部中斷6（EXT_INT6）；加載USB描述表，并進行自舉檢測，如自舉不成功，則重新自舉，直到端點0收到設置包為止；配置USB為異步從FIFO（AsynchronousSlaveFIFO）模式，采用內部的48MHz時鐘源；讀取FNADDR寄存器，判斷USB工作狀態；依據USB工作狀態，配置EP2，EP4，EP6，EP8，并設置一次傳送的字節長度。設置EP2，EP4為BULKOUT，EP6，EP8為BULKIN。其緩沖大小分別為2×512B。
　　
　　在數據傳輸過程中，PC端通過EP2向DSP發送讀數據命令，DSP通過外部中斷收到讀命令后，使用EP6發送已采集好的數據。在聲音數據采集系統中，每路麥克風以每秒96kHz進行24位采樣，按照ping-pong方式進行存儲。因此在USB_TRANSFER（）還需進行判斷，當采集數據存儲在ping緩存時，發送pong緩存中的數據；當采集數據存儲在pong緩存時，發送ping緩存的數據。
　　
　　數據傳輸程序配置如下：判斷EP2是否有讀命令；傳輸存放在ping，pong緩存中已采集到的數據。
　　
　　程序中部分代碼如下：　　
　　其中，通過Read_SX2reg（）可判斷FIFO中的數據是否被發送，若被發送，則FIFO寄存器標志為空，反之，標志為滿。SX2_Fifo_Write（）向相應的FIFO中寫入傳輸數據。其中ENDPOINT6表示使用EP6端點進行發送，ping+pingcnt表示要發送數據的首地址，FifoLength為發送數據的長度。系統采用USB2．0進行數據傳輸，每個EP的FIFO緩沖大小為512B，CY7C68001采用16位數據線與TMS320C613相連，故FifoLength大小設為256B。
　　
　　由于TMS320C6713通過EMIF的CE3存儲空間可以外擴USB2．0接口，還需對。EMIF接口的CE3寄存器進行配置，將USB接口設為16位異步存儲接口，設定讀／寫的建立時間（Setup）、促發時間（Strobe）、保持時間，使其滿足CY7C68001的讀／寫時序要求。具體配置如下：　　
　　4、PC端應用程序
　　
　　PC主機端需要編寫USB設備驅動程序和應用程序。USB設備驅動程序主要通過調用微軟的USBD．SYS來實現PC機于USB總線的數據交換，采用WDM（WindowsDriverMode）驅動程序進行編寫，分為USB底層驅動程序和USB功能驅動程序。USB底層驅動程序由操作系統提供，USB功能驅動程序由設備進行編寫。
　　
　　PC端應用程序采用VC++6．0編寫應用程序，首先調用OpenDriver（）打開USB接口設備，獲得設備的句柄hDevice，之后調用Sx2SendVendorReq（）函數向外設發出命令，讀取USB配置，zui后調用Sx2BulkdataTrans（）進行數據傳輸，通過調用CFile類將接收到的數據存放在文件名為“Collection．txt”的文本文件中。程序使用多線程技術，使得應用程序將USB數據傳輸在后臺進行處理，應用程序前臺還可進行其他操作。
　　
　　程序簡單實現如下功能：當點擊“StartSample”按鈕時，開始進行USB數據傳輸，點擊“StopSample”按鈕時，停止USB數據傳輸。采樣的多通道數據在應用程序中進行圖像顯示，方便對數據的判斷。
　　
　　程序關鍵函數如下：　　
　　函數中myRequest的成員變量與DSP中斷程序中SetupBuff緩沖區的8B數據相對應，Sx2SendVendotReq（）通過調用WindowsAPI函數DeviceIoControl（）向DSP中發送命令，DSP端程序需與之配合，返回相應的數據，完成讀取USB配置。　　
　　通過對函數中bulkControl的成員變量pipenumber設置，確定PC主機端與CY7C68001的哪個端點進行數據傳輸，Sx2BulkdataTrans（）也通過調用WindowsAPI函數DeviceIoControl（）向DSP中發送讀／寫數據命令，被傳輸的數據保存在buffer中。　　
　　應用程序界面如圖2所示。
　　
　　5、實驗驗證
　　
　　驗證思路：對保存在Collection．txt中的數據進行處理，Collection．txt保存的數據為多通道數據，所以需要對數據進行區分，由于sound（）函數調用PC機的聲卡，絕大多數聲卡支持的數據采樣頻率在5～44．1kHz之間。因此對采樣的96kHz進行抽樣，將其轉化為24kHz，利用Matlab中的sound（）函數，對采樣數據進行聲音還原，判斷采集的數據是否正確。
　　
　　sound（y，Fs）函數可以發送頻率為Fs的向量信號y到MicrosoftWindows操作平臺的揚聲器，產生聲音信號，數值y的范圍為[-1，+1]，超過該范圍的數據將不能播放。該系統采用24位采樣，采樣所得數據為整形數據，故需將整形數據轉化到[-1，+1]的浮點數據。
　　
　　程序關鍵代碼如下：　　
　　經驗證可得，還原聲音與采樣聲音一致，USB數據傳輸正確可靠。
　　
　　6、結語
　　
　　系統采用USB2．0作為通信接口，具有較高的傳輸速率，滿足數據采集系統要求。同時設計了DSP端與PC機端相應的軟件，其中PC端應用程序利用VC的MFC框架資源豐富的特點，設計界面直觀友好，具有較強的擴充性。在實際運用中，系統穩定可靠，為高速數據的傳輸和處理提供了有力的保障。