基于USB的数字扫频仪测控接口设计

在电子测量中，经常需要对网络的传输特性和阻抗特性进行测量，用于测量传输特性的仪器被称为频率特性测试仪，简称扫频仪。过去，数字扫频仪的主要接口总线是PCI、RS232和并行总线等。这些接口总线均只支持一种模式，而发展趋势是支持主从两种模式。且其还存在不支持热插拔、难以扩展的缺点，给扫频仪的使用带来不便。USB接口总线的出现解决了这些问题。

1 扫频仪测控接口设计基础

1.1 数字扫频仪的测控原理

测控系统的组成如图1示。测量设备的主要作用是向主控制器输入数据。执行单元是接收主控器的控制信号、输出动作以及完成控制目的。接口是主控器和测量设备及执行单元的通道，人机界面是系统和用户进行信息交换的媒介。

1.2 USB2.0接口技术

一个USB2.0系统主要由3部分构成：USB主机、USB连接和USB设备。对于开发人员来说这种USB系统被分为3个逻辑层，即功能层、USB设备层和USB总线接口层。每层均由主机和USB设备的不同功能模块组成。

1.3 扫频仪与计算机的连接

为实现数字扫频仪的智能化和网络化，在数字扫频仪的基础上进行了USB测控接口的设计。该设计主要增添了两个功能：一个是计算机控制扫频仪，实现扫频仪测量结果的在线分析、显示和存储;另一个是扫频仪读写U盘，将测量数据以及测量的频率信息以文件的形式存储到U盘中并可以调用U盘中的数据。USB系统包含USB主机，USB设备和USB连接3部分。当计算机控制数字扫频仪时，由扫频仪、USB主控芯片CH376及计算机组成一个USB系统，此时计算机为USB主机，扫频仪为USB设备。当扫频仪读写U盘时，由扫频仪、USB主控芯片CH376以及U盘组成一个USB系统，此时扫频仪为主机，U盘为USB设备。

2 硬件电路设计

2.1 扫频仪测控接口设计

设计是在原有数字扫频仪的基础上，通过扫频仪的微处理器ADSP-BF532内置的SPORT1口与USB控制芯片进行通信。通过USB控制芯片将扫频仪设置成主机模式时，将U盘作为设备，可实现扫频仪主控U盘;USB控制芯片将扫频仪设置成从模式时，则计算机作为主控设备，可实现计算机控制扫频仪，整体电路设计如图2所示。

2.2 处理器模块设计

Blackfin532有两个相同的高速串口SPORT0和SPORT1，这两个串口支持各种串行数据通信协议。SPORT口包含接收和发送寄存器。发送数据时，从内部寄存器写到SPORT口的存储器映射寄存器SPORTx_TX中。根据选择，此数据可由硬件进行压扩后自动传送到移位寄存器，移位寄存器的位从SPORT口的DT引脚移出，最高位在前或最低位在前均可。接收数据时，SPORT的接收部分从DR接收数据，接收一个完整的字后，数据展开并自动传送到SPORT的存储器映射寄存器SPORTx_TX中。该寄存器可被处理器访问，发送和接收时都要有同步时钟。

BF532的时钟可分为两种：一个是系统时钟;另一个是实时时钟。系统时钟经内部PLL倍频后为DSP提供核时钟和片上外设时钟。BF532和CH376的传输过程中需要的时钟信号就是由DSP的系统时钟进行分频得到的，最大能达到系统时钟的1/2。该时钟电路内部集成高增益反相，所以只要外接一个无源晶振，系统时钟选用27 MHz无源晶振，并联谐振电容到地即可。实时时钟通过外接一个32.768 kHz的时钟源，经过内部分频后，可产生秒信号时钟。

ADSP—BF532需外接一片Flash作为它的程序存储器。ADSP—BF532的异步程序存储控制器可达4MB寻址空间。可以通过使用AMS信号进行分页操作，一共可分为4页，每页1MB。根据DSP手册给出的程序存储器时序以及Flash手册提供的读写时序，将DSP的AMSO、AWE、AOE信号以及数据和地址总线分别连接到Flash的WE#、CE#、OE#以及数据和地址总线，即可满足Flash的读写。

2.3 USB主控模块设计

CH376是文件系统管理芯片，其支持USB主机模式和USB设备模式，即可配置成主模式和从模式。主模式时，数字合成扫频仪成为主机，U盘为USB设备，可实现扫频仪读写U盘的功能。从模式的时候计算机为主机，数字扫频仪为USB设备，可以实现计算机主控扫频仪的功能。

设计CH376的外围电路，首先需将CH376配置成SPI串行通行方式，必须将RD#和WR#接GND，并将其余不用的引脚悬空。电容C4用于内部电源节点退耦，从而降低USB传输过程中的EMI;晶体X1是振荡电路，用于向CH376提供系统时钟信号，该晶振要求是12 MHz;P50A是USB端口;电阻R20用于限制输出给外部USB设备的电流;C50主要用于减少在USB设备刚插入时的电源电压纹波;ACT#连接的LED灯可起到指示作用。

图4给出了CH376和BF532的具体连接电路。CH376在SPI模式下有6根信号线需要进行连接，分别是SDO、SDI、SCK、SCS、中断ACT#和复位RST1。

3 测控分