ADSP-TS101的USB 2.0接口扩展

1 引 言

现代信号处理系统通常涉及到上位机与信号处理机之间的数据通讯，如何建立信号处理机与上位机的通讯接口成为系统设计中必须解决的一个问题。通常情况下，对于数据传输速度要求不太高的应用，可以使用普通串行口作为通讯链路。在本系统中，由于采用多片高性能浮点数字信号处理器ADSP-TS101作为处理器，产生了大量的处理结果，并且要求实时传输处理结果，传输速度必须达到1 MB/s，因此普通的串行通讯口已经不能满足要求。若采用PCI接口，虽然在速度上可以满足要求，但需要单独在上位机占用一个PCI插槽，另外由于系统还有其他模块需要与信号处理机进行高速数据传输，因此在供电设计、系统中模块间的连接布线、开发调试中都存在一定的困难，在使用中也会因为其不具备热插拔功能而相对繁琐。考虑到这些因素，选择USB 2.0接口作为通讯链路，因为其具有传输速度高、使用简单、成本低廉的优点。

USB(Universal Serial Bus)是一种通用串行总线，由COMPAQ，InteI，Microsoft和NEC等公司共同开发，并成为标准，现今已广泛运用于各种数字系统中。USB总线具有用户使用方便、成本低廉、易于与PC接口、支持热插拔、传输速度高、易于升级等优点。USB 2.0的最高传输速率可达480 Mb/s，比一般的串口快1 000倍以上。

USB总线主要包括主机和设备、物理构成、逻辑构成以及客户软件与设备功能接口的关系4个部分，图1展示了USB总线组成关系。



2 系统设计

2.1 系统结构

图2为本文所论及的信号处理系统的结构框图。在本系统中，上位机将设置好的参数发送给信号处理机，由信号处理机将参数转发给系统其他模块，并根据此参数进行相应的信号处理，最后再将处理结果传回上位机。



2.2 ISP1581简介

ISP1581是Philips公司的一款高性价比的USB 2.0接口芯片。他完全遵循USB 2.0规范，支持7个IN端点，7个OUT端点和一个固定控制IN/OUT端点。ISP1581支持USB 2.0的自检工作模式和USB 1.1的返回工作模式，可以在高速或全速条件下正常运行。内部集成有串行接口引擎(SIE)，PIE，8 kB的FIFO存储器，数据收发器，PLL的12 MHz晶体振荡器和3.3 V的电压调整器。同时，可通过软件控制与USB总线的连接。

2.3 硬件电路设计

由ADSP-TS101和ISP1581构成的USB 2.0接口电路如图3所示。其中ADSP-TS101在系统中同时完成信号处理和充当微控制器完成对ISP1581的控制。ADSP-TS101和ISP1581以通用总线的方式连接，即数据总线和地址总线分离的方式。ISP1581的片选信号连接到ADSP-TS101的MS0，映射到ADSP-TS101的地址空间为0X8000000～0X80000FF，TS101通过对这些地址上的寄存器进行读写来控制ISP1581，完成与上位机的USB传输。ISP1581的中断输出引脚连接到ADSP-TS101的中断请求输入引脚IRQ2，通过中断方式与DSP通讯。ISP1581的复位可通过硬件和软件触发，硬件复位引脚连接到系统复位信号，系统上电复位或热复位时同时复位ISP1581。　




3 固件程序设计

由于ISP158l本身没有集成的微控器，固件程序将在TS101中运行。固件程序在结构上采用中断驱动方式，TS101通常情况下在自身的运算任务下运行，当上位机有通讯请求时，通过中断方式通知TSl01。在TSl01的中断服务程序中，通过读ISPl581的内部寄存器判断具体的请求类型，然后设置相应的标志。从程序的实现方式来说，固件程序主要就是一系列请求函数的集合，主要包括实现设备枚举的标准请求和与具体应用相关的厂商请求，不同的请求根据建立包中的数据来区分，固件程序的主要流程图如图4所示。



3.1 ISPl581的初始化

为兼容USB 1.1接口，器件初始配置为全速模式，若上位机支持USB 2.0接口，可在设备枚举的过程中更改为高速模式。器件支持7个IN和7个OUT端点，分别可以配置成为中断方式、同步方式和批量方式，其中批量方式适合高速的数据传输要求，中断方式可以用于命令数据的传输。在此雷达系统中，为满足应用要求，共配置2个批量输出端点用于处理结果传输、1个中断输出端点用于命令响应和1个中断输入端点用于接收命令，其他的端点保留不用。

3.2 设备枚举

USB设备的枚举至关重要，直接影响到设计的成功与否，这需要严格依据USB 2.0协议规范来设计。这部分程序主要由一系列标准请求函数构成，在USB任务处理中被调用，主要包括获取设备描述符、设置设备地址、配置设备、配置端点等。USB设备的枚举一般按照如下步骤进行：

(1)设备连接，总线复位，ISP1581将发送高速(HS)模式检测信号，若接收到一个高速(HS)握手信号，则将转换到高速(HS)状态，否则仍工作在全速(FS)状态;

(2)通过默认地址0获取设备描述符;

(3)给设备分配惟一的地址;

(4)通过分配的地址重新获取设备描述符;

(5)获取配置描述符;

(6)获取设备描述符集合，包括配置描述符、接口描述符、端点描述符;

(7)若为第一次连接则提示找到新硬件，要求安装驱动程序，否则根据设备描述符加载设备驱动程序;

(8)配置设备，至此设备枚举完成。

3.3 厂商请求

本应用中的厂商请求主要包括发送控制命令和读取处理结果。由于控制命令的数据量很小，故采用中断方式进行传输，而处理结果数据量较大，为提高传输速度，采用批量传输方式传输。为防止数据异常更新，数据缓冲区采用乒乓缓冲方式，USB发送完成某个缓冲区的数据前，信号处理的结果只能存放在另一缓冲区中。图5为控制命令-设置模式字的厂商请求处理流程图。