數字合成掃頻儀USB2.0接口設計

孫學君，白譜偉

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西 西安 710071)

數字合成掃頻儀的USB接口設計，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，設計選用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，芯片由外設控制器、OTG控制器、主機控制器、USB收發器、OTG收發器和緩存器組成，通過內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設備驅動程序和用戶應用程序。

1 硬件設計

1.1 數字合成掃頻儀電路設計

數字合成掃頻儀主要由數據處理、控制接口電路邏輯、掃頻信號產生與輸出、幅度與相位檢測、數據采集、USB接口等部分構成。數據處理部分采用ADI公司的ADSP－BF532處理器，加電后BF532實現對系統各部分的初始化，并對采集到的數據進行處理，得到幅度與相位數據并實現曲線描繪、數據存儲和USB通信;控制接口電路邏輯部分采用Altera的EP1C6T144實現，設計中采用FPGA實現了DDS信號發生控制、數據采集控制、鍵盤掃描、增益控制以及顯示控制;掃頻信號產生與輸出部分包括信號產生部分和輸出增益控制部分，信號產生部分產生兩路I、Q信號，其中I路信號用來實現相位測量，Q路經增益調節后得到所需測量輸出信號;幅度與相位檢測部分將信號的幅度與相位信息轉換為對應的電壓信號;數據采集部分通過采集信號幅度和相位對應的電壓值將幅度與相位信息轉換為數字信息，FPGA將采集到的數據通過SPI口送入DSP處理后得到幅度與相位曲線。

圖1 數字合成掃頻儀的硬件結構

1.2 USB接口電路設計

Philips生產的ISP1362提供兩個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OTG模式進行配置，ISP1362既可做主機又可做外設，并支持主機與外設之間角色轉換的主機通信協議HNP(Host Negotiation Protocol)和對話請求協議SRP(Session Request Protocol)。ISP作為主機使用時，能夠關閉VBUS以響應SRP，而作為外設使用時，能夠啟動SRP以喚醒主機。設計中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Host接口和一個Device接口，供接USB外設使用。如圖2所示，其中CPLD為該模塊提供基地址。DSP通過向CPLD寄存器讀入狀態字或寫入控制字將寄存器的地址映射在 DSP的 I/O空間，通過訪問CPLD中相應的寄存器，可實現對ISP1362狀態查詢和控制。

圖2 ISP1362和DSP連接簡圖

作為外設控制器(DC)時，ISP1362支持兩個控制端點，還能以全速 12 Mbit·s－1和低速 1.5 Mbit·s－1將多達14個端點編程為任何4種傳輸類型，并為每個端點分配片上緩沖RAM空間，緩沖存儲器獨立于主機控制器緩沖存儲器，當緩沖存儲器溢出，DC將數據傳輸到USB總線上，當緩沖存儲器是空的，產生一個中斷通知微處理器提供數據。這里提到的微處理器和DC之間數據的傳輸可以是PIO(Programming Input/Output)模式或者 DMA(Direct Memory Access)模式［1］。設計中ISP1362與ADSP－BF532之間采用中斷方式進行通信，設計中所需傳輸數據量大，且對傳輸時間和速率均無具體要求，因此采用塊傳輸(ATL)方式傳輸數據，ISP1362的設備控制器內置了一個2462 Byte的緩沖存儲器，這里將端點1配置成雙緩沖，每個緩沖大小為256 Byte。當傳輸準備就緒時，DSP將數據寫入其中一個緩存，當緩存被寫滿時，數據通過SIE傳輸給計算機，傳輸同時DSP向另一個緩存寫數據。當緩存中的數據被完全讀取后，DSP會繼續向緩存中寫數據寫滿為止［2］。圖3給出ISP1362外圍電路設計，前面提到為方便后續升級，硬件上配置為OTG模式，OTG規范是對USB2.0規范的補充，允許便攜式設備成為受限的USB主機，以代替特定功能的PC［3］。

圖3 ISP1362外圍電路設計

2 軟件設計

USB接口的軟件設計主要包括USB接口的固件程序、USB驅動程序以及用戶應用程序3部分，底層固件程序控制整個硬件系統的運行，并負責處理PC機發來的各種USB請求，以完成數據傳輸;驅動程序包含WDM(Windows Driver Mode)驅動程序所需的入口例程、即插即用例程、分發例程、電源管理例程和卸載例程;應用程序為用戶提供與軟面板的接口，并對接收到的數據進行處理和分析［4］。

2.1 底層固件程序設計

設計中采用VisualDSP++5.0平臺設計底層固件程序。該固件程序包含cpu.c，文件實現了ADSPBF532一些常用的初始化函數;usb_bfinit.c實現了USB工作下ADSP－BF532的一些常用初始化函數;usb－isp1362.c實現了USB的通信功能;main.c實現了具體的傳輸功能，當DSP檢測到ISP1362產生的中斷時，根據計算機發送的命令進入相應的傳輸程序，控制isp1362的設備功能向計算機傳輸數據。頭文件實現對isp1362的寄存器和各種控制命令進行定義。

2.2 設備驅動程序設計

USB驅動程序是基于WDM的內核程序，驅動程序由運行于內核模式的系統級代碼組成。USB系統驅動程序包括USB設備驅動程序，USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序，Windows操作系統中嵌入了USB總線驅動程序、USB主控制器驅動程序以及通用的USB設備驅動程序，如U盤、USB接口的其他數碼設備等。設計的USB設備是特殊功能的設備，Windows操作系統中通用的設備驅動程序不支持其運行，因此需要編寫特定的設備驅動程序。設計中采用Visual StudioC++.NET+WindowsXPDDK+DriverStudio 3.2綜合平臺進行本設備驅動程序設計，運用DriverWizard生成驅動程序的基本框架，該驅動程序框架包含了幾個基本類，然后在VC集成環境下修改有關程序，增加相關的具體操作代碼以完成應用程序和驅動程序之間的信息交換，包括驅動入口例程、加載設備和卸載驅動例程，設備的枚舉、打開、讀寫、關閉設備和入口端點等函數設計。

2.3 應用程序設計

應用程序設計運用NI的Lab Windows CVI9.0開發平臺設計，該程序主要完成以下幾方面功能:(1)與下位機進行數據交換，讀取下位機所采集到的點數據并將其以圖像的形式實時顯示。并且可對顯示的圖像進行移位、參考點選擇、頻率標記、相關參數計算等功能。(2)將下位機的參數設置信息以.dat文件的形式保存，在需要時可調用保存的設置信息對下位機進行參數設置與控制。還可將下位機顯示的波形文件以及相關的參數以word形式保存。(3)用戶界面模擬下位機儀器的操作面板進行設計，如圖3所示。界面分為6個區域，包括參數設定區域、測量功能設置、系統設置、信號源設置、圖形顯示界面以及相關參數顯示區域。參數設定區域主要用于設置頻率參數、參考電平、輸入輸出阻抗等;測量功能設置;系統設置包括系統復位設置、接口與之間設置、幅度與相位校正設定以及存儲設定;信號源設定頻率參數帶寬、幅頻與相頻測量開關、顯示刻度與參考位置設定;圖形顯示主要是將采集到的點數據以圖形的形式連續顯示以及頻標等標記符號顯示;相關參數顯示區域顯示圖形的顯示格式與顯示方式，輸出電平與輸出狀態，中心頻率及掃描帶寬、顯示刻度與參考電平;點擊相應按鈕可對下位機進行相應操作，即用主機來控制下位機工作。

圖4 用戶界面

3 結束語

從硬件和軟件兩方面對數字合成掃頻儀的USB接口設計進行了論述，具有結構簡單、傳輸數據量大、操作方便、設計靈活且易于升級的特點。USB接口的設計硬件配置為OTG模式，方便數字合成掃頻儀作為Host和其他USB設備進行通信，如U盤等存儲設備，更為方便地存儲經DSP處理后的數據。經測試與實驗表明，基于ISP1362設計的USB接口能夠使數字合成掃頻儀穩定、準確的傳輸數據，且能同步進行數據上傳和下傳，滿足設計需求。

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

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

［3］周立功.USB2.0與OTG規范及開發指南［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

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

［5］王西龍.通用串行總線(USB)設備的設計與開發［J］.西安郵電學院學報，2005，6(4):143 －146.