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基于USB2.0的高速無線數傳接收設備的數據接收存儲方法
摘要：介紹了一種利用USB2.0接口芯片ISP1581并配合FPGA芯片EP1K30T144和DSP芯片TMS320F206實現無線數傳接收設備中數據接收存儲的方法。這種方法具有接口簡單、使用方便等特點。關鍵詞：位同步 幀同步 USB2.0 差錯控制
數據接收存儲技術革新是信號采集處理領域內的一個重要課題。利用這種技術，可以把信號的實時采集和精確處理在時間上分為兩個階段，有利于獲得令人更滿意的處理結果。在無線數傳接收設備中應用數據接收存儲方法時，除了要滿足數據傳輸速率和差錯控制方面的要求外，還需要考慮如何使設備易于攜帶、接口簡單、使用方便。
傳統外設接口技術不但數據傳輸速率較低，獨占中斷、I/O地址、DMA通道等計算機系統關鍵資源，容易造成資源沖突問題，而且使用時繁雜的安裝配置手續也給終端用戶帶來了諸多不便。近年來，USB接口技術迅速發展，新型計算機紛紛對其提供支持。USB2.0是USB技術發展的最新成果，利用USB2.0接口技術開發計算機外設，不但可以借用其差錯控制機制[1][6]減輕開發人員的負擔、獲得高速數據傳輸能力（480Mb/s），而且可以實現便捷的機箱外即插即用特性，方便終端用戶的使用。
1 無線數傳接設備總體構成
無線數傳接收設備是某靶場測量系統的一個重要組成部分。如圖1所示，該設備由遙測接收機利用天線接收經過調制的無線電波信號，解調后形成傳輸速率為4Mb/s的RS-422電平差分串行數據流。以幀同步字打頭的有效數據幀周期性地出現在這些串行數據中。數據轉存系統從中提取出有效的數據幀，并在幀同步字后插入利用GPS接收機生成的本地時間信息，用于記錄該幀數據被接收到的時間，然后送給主機硬件保存。
在無線數傳接收設備中，數據轉存系統是實現數據接收存儲的關鍵子系統。下面將詳細介紹該系統的硬件實現及工作過程。
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2 數據轉存系統基本構成及硬件實現
數據轉存系統主要由FPGA模塊、DSP模塊、USB2.0接口芯片構成，各個模塊之間的相互關系如圖2所示示。圖中，4Mb/s的串行數據輸入信號SDI已由RS-422差分電平轉換為CMOS電平。為突出重點，不太重要的信號連線未在圖中繪出。下面分別介紹這幾個模塊的主要功能。
2.1 FPGA模塊實現及春功能
FPGA模塊在Altera公司ACEX系列的EP1K30TI144-2芯片中實現。其中主要的功能子模塊有：位同步邏輯、幀同步邏輯、授時時鐘和譯碼邏輯。位同步邏輯主要由數字鎖相環構成，用于從串行數據輸入信號SDI中恢復出位時鐘信號。幀同步邏輯從位同步邏輯的輸出信號提取幀同步脈沖。兩者為DSP利用其同步串行口接收串行數據作好準備。這樣，利用一對差分信號線就可以接收同步串行數據，簡化了印制電路板的外部接口。授時時鐘在DSP和GSP接收機的協助下生成精度為0.1ms的授時信息。譯碼邏輯用于實現系統互聯。
2.2 DSP模塊實現及其功能
DSP模塊是數據轉存系統的主控模塊，在T1公司16位定點DSP芯片TMS320F206[4]中實現。在DSP的外部數據空間還配置了32KX16的高速SRAM，可以緩存80余幀數據，用于提高系統的差錯控制能力。DSP利用同步串行口接收FPGA送來的同步串行數據，利用異步串口接收GPS接收機送來時間信息（用于初始化FPGA授時時鐘），利用外部總線接口訪問FPGA授時時鐘、外部SRAM、ISP1581的片內寄存器�？梢钥闯鯠SP模塊主要用于完成數據幀的接收、重組以及轉存調度等任務。
ISP1581芯片是PHILIPS公司推出的高速USB2.0設備控制器，實現了USB2.0/1.1物理層、協議層，完全符合USB2.0規范，即支持高速(480Mb/s)操作，又支持全速（12Mb/s）操作。ISP1581沒有內嵌微處理器，但對微處理器操作了靈活的接口。在上電時，通過配置BUS——CONF、DAO、MODE1、MODE0、DA1引腳電平可以適應絕大多數的微處理器接口類型。例如，通過BUS_CONF/DA0引腳，總線配置可以選擇普通處理器模塊（Generic Phocessor mode）中分割總線模式（Split Bus Mode）；在普通處理器模式下，通過MODE0/DA1引腳可以選擇讀寫選通為8051風格或者Motorola風格。
在數據轉存系統中，ISP1581用于處理主機的高速數據傳輸。它工作在普通處理器接口模式下，采用8051風格的讀寫選通信號，由DSP芯片TMS320F206控制。兩者在選定工作方式下的信號連線如圖3所示，圖中未畫出的信號引腳可以懸空，供電引腳的連接方式在參考資料[2]第46頁有簡明描述。在FPGA譯碼邏輯的作用下，ISP1581的片內寄存器被映射在DSP的片外數據空間中。DSP通過8位地址線選擇要訪問
的寄存器，在讀寫選通信號的控制下，利用16位數據線與選定的寄存器交換數據。在訪問ISP1581單字節寄存器時，數據總線高字節內容無關緊要。ISP1581通過中斷引腳INT向DSP報告發生的總線事件，利用D+、D-引腳完成與主機的數據交換。
3 數據轉存系統的工作過程
系統加電后，當FPGA配置過程結束時，如果有串行數據輸入，位同步邏輯和幀同步邏輯便啟動同步過程。同時，DSP片內FLASH中復位中斷服務程序c_int0()[4]被立即執行，在建立好C語言的工作環境下，它會調用主函數main()。在main()中，需要安排好一系列有先后順序的初始化工作。其中，ISP1581的初始化過程比較復雜，需要考慮設備采用的供電方式（這里為自供電[6]方式）、插接主機和系統上電的先后次序，并需要與USB總線枚舉[1][6]過程相結合。
在FPGA中的位同步邏輯和幀同步邏輯均進入同步狀態，且DSP主控模塊配合主機完成初始化任務后，即可啟動數據的傳輸過程。下面介紹一下ISP1581的初始化過程及DSP控制的數據幀的接收機轉存流程。
3.1 ISP1581的初始化
在初始化過程中，首先需要設置影響ISP1581自身工作方式的一些寄存器，然后與主機端USB系統配合進行，應答來自主機端的設備請求。當數據轉存系統板作為USB 2.0設備通過連接器連到主機USB根集線器上的一個端口時，主機便可檢測到這一連接，接著給該端口加電，檢測設備并激活該端口，向USB設備發送復位信號。設備收到這一復位信號后，即進入缺省狀態，此后就能夠通過缺省通信通道響應主機端送來的設備請求。主機通過描述符請求（GET_DESCRIPTOR）獲得設備端的詳細信息，通過設置地址請求（SET_ADDRESS）設置設備地址，通過設置配置請求（SET_CONFIGURATION）選定合適的設備配置。在設備成功響應了這些設備請求之后，就可以與主機通信了。
在響應主機請求的過程中，DSP需要配置ISP1581的端點以實現不同類型的傳輸通道。根據數據傳輸速率的要求，除了缺省的控制通道外，系統中實現了一個批傳輸(bulk)[1]類型的輸入通道。這樣，ISP1581就可以像FIFO一樣方便地從數據轉存系統向主機傳輸數據，而且具有差錯控制能力，簡化了設備端軟件設計的復雜性。
3.2 數據幀的接收轉存過程
系統正常工作時，需要與主機端程序相互配合。主要端需要開發者實現的程序包括設備驅動程序和應用程序。在Windows 2000操作系統下，USB設備驅動程序為WDM模型的驅動程序，開發環境DriverStudio為WDM型驅動程序提供了框架結構，使得驅動開發變得非常容易（參見參考文獻[5]第八、九、十章）。驅動程序接收應用程序的請求，利用USB總線驅動程序（US-BD）和主機控制器驅動程序（HCD）通過主機控制器安排USB總線事務，設備端則根據這些事務調度相應的數據幀的傳輸。關于主機端口如何安排總線事務可以查閱參考文獻[1]。以下著重介紹設備端數據的調度過程。
數據幀的接收轉存過程主要由DSP負責，DSP在外部SRAM中建立了一個數據幀的隊列，如圖4所示。系統主要工作在中斷驅動模式下，與同步串行口相關的中斷服務程序負責建立隊列的尾部，對應于ISP1581中斷引腳INT的中斷服務程序負責建立隊列的頭部。
當以幀同步字打頭的一幀數據以串行位流的形式到來時，FPGA產生的幀同步脈沖可以直接啟動DSP同步串行口接收數據，該同步脈沖同時以中斷方式通知DSP為一幀數據的接收做好準備。DSP接到通知后，首先檢查外部SRAM中是否有足夠的空間容納一幀數據。如果沒有空間，則丟棄當前數據幀（根據設計，這種情況是很少見的）；如果有空間，則為當前數據幀保留足夠的空間。接著在幀起始位置填寫幀步字，讀取授時時鐘的當前值并填寫在幀同步字后。這樣，一個新的數據幀（圖4中數據幀F_N）就建立了，但是并沒有加入到隊列中，而是要等待來自同步串行口的后繼數據嵌入該幀中后再加入到隊列中。
同步串行口的接收緩沖區在接收到若干字（由初始化時的設置決定）后，會向DSP提出中斷請求。在中斷服務程序中，DSP讀取接收緩沖區中的內容，并將其填入上述新開辟的幀F_N中。在一幀數據接收完畢后，就將該幀添加到隊列的尾部，表示該幀數據已經準備好（圖4中數據幀F_R），可以通過ISP1581送給主機硬件保存。
DSP在查詢到隊列中有已經準備好的數據幀存在時，就設置ISP1581的端點索引寄存器（Endpoint Index Register）使其指向初始化時配置的批傳輸輸入端點，然后將隊列首幀數據通過ISP1581的數據端口寄存器（Data Port Register）填寫在端點緩沖區中。在端點緩沖區被填滿后，它就自動生效。在不能填滿端點緩沖區的情況下，可以通過設置控制功能寄存器（Control Function Register）的VENDP位[2]強制該端點緩沖區生效。端點緩沖區生效后，在USB總線上下一IN令牌到來時，該端點緩沖區中的數據就通過USB總線傳輸到主機中。主機成功接收到數據后，會給ISP1581以ACK應答。能夠通過INT引
腳報告給DSP，DSP就可以繼續往端點中填寫該幀其余數據。
在隊列首幀數據被成功轉移到主機后，DSP就丟棄首幀數據。如果隊列在還有數據幀，則將次首幀作為首幀，繼續前述傳輸過程；如果沒有要傳輸的數據幀，則為隊列首幀指針Head_Ptr賦空值（NULL），等待新的數據幀的到來。
USB2.0是計算機外設接口技術發展的最新成功，具有廣闊的應用前景。本文介紹了PHILIPS公司USB2.0接口芯片ISP1581在無線數據接收設備中的應用。高性能、便攜化的無線數據傳接收設備。其在靶場實彈試驗中受到了用戶的好評。
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