USB数据采集系统中DMA数据传输的实现.pdf

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1、 前言 USB 通用串行总线(UniversalSerialBus是被 PC 机宽泛采纳的一种总线，目前已经在计算机主板上大批集成，成为一种标准配置接口。它的即插即用、真切的热插 拔、可总线供电、高性能和系统造价低等一系列的长处，使得 USB 接口获取了宽泛的应用。特别是跟着 USB2.0 高速传输协议的出现，其数据传输速度达到了 480Mb/s，使得 USB 接口顤橆 D 挤?为今日低成本虚构仪器系统的主流。本文设 计了鉴于 USB2.0 高速传输的数据收集系统，整个数据传输过程完好采纳 DMA 方 式，达到了较高的数据传输速度。1、系统介绍 系统整体构造如图 1 所示。采纳 Philips

2、 企业的微控制器 LPC2888 作为系统核心控制器。前端数据收集模块由一片 CPLD 实现对数据收集和触发控制的功能。当系统和计算机成功连结进入工作状态后，LPC2888 从 USB 接口接收到来自应用程序的控制命令，而后经过控制 CPLD 对数据收集模块采样通道、采样速率和触发模式进行配置后启动数据收集。CPLD 控制模数变换器获取采样数据，同时配合 LPC2888 通用 DMA控制器的接口时序将采样数据以DMA方式传输到 LPC2888 内部缓存。最后由 USB 高速设施接口将采样数据从 LPC2888 内部缓存传输到计算机，在计算机中实现数据记录、数据办理和波形显示等功能。图 1 系统

3、整体构造图 1.1LPC2888 微控制器 LPC2888 是一款鉴于 ARM7TDMI内核的微控制器，带有 8kB 高速缓存，最高工作时钟频次 60MHz。在构造上增添了多通道通用 DMA控制器(GPDMA。它支持存 储器到储存器，储存器到外设，外设到储存器和外设到外设的 DMA传输。本系统采纳GPDMA 控制器实现数据以前端数据收集模块到内部缓存的 DMA传输。同时，LPC2888 集成有 USB 高速设施控制器。它完好兼容 USB2.0 协议，支持 USB 高速传输，理论最高传输速度 480Mb/s，其内部构造如图 2 所示。USB 设施控制器 直接挂接在 LPC2888 系统内部核心总

4、线 AHB上，能够方便地与 ARM控制器内核及外面存搭枠頓挤?桓鯠 MA引擎，当 USB 接口运转在 DMA模式时，DMA引擎作为 AHB总线上的主机，在 ARM内部缓存和 USB 设施控制器缓存之间传达数据，传输过程不需要控制器内核程序的参加，因此能够达到较高的数据传输速度。图 2USB 高速设施控制器内部构造图 1.2 数据收集模块 数据收集模块主要由信号调治电路、模数变换电路、触发控制电路和 CPLD 组成。模数变换器采纳美国模拟器件企业(ADI推出的迅速 12 位双通道模数变换器AD9238。单双通道选择和采样频次控制经过 CPLD 控制逻辑来实现。2、数据传输过程 DMA方式的设计与

5、实现 系统中数据传输过程包含两个环节，一个是从 CPLD 到 LPC2888 内部缓存，另一 个是从 LPC2888 内部缓存经过 USB 接口到计算机。两个环节都采纳 DMA方式传 输数据，两个环节之间的协调经过 GPDMA 控制器产生的半满、全满中止来实 现。整个数据传输过程完好采纳 DMA的传输方式，进而能够除去因微控制器固件 程序履行较慢而造成的对数据传输速度的影响。2.1 从 CPLD 到 LPC2888 内部缓存的 DMA 传输 CPLD 从 AD9238 获取两个 12 位的变换结果，经过位数变换后送到 32 位的数据信 号线。数据信号线直接连结到 LPC2888 的 P0 口(

6、32 位。因为 CPLD 内部没有数据缓存过程，因此为了保证不丢掉采样点，从 CPLD 到 LPC2888 内部缓存的 DMA传输一定保证连续性和及时性。为此，系统采纳了以下解决方案：1 在 LPC2888 内部 RAM 中开拓两块同样大小的缓存空间：buffer1 和 buffer2。将通用 DMA控制器的通道 3 和通道 5 分别配置为搭枠頓挤?er2 的 DMA通道。2 配置 DMA通道 3 和通道 5 为外面信号控制模式，由 CPLD 作为 DMA数据传输过程的主机。3DMA通道 3 和通道 5 采纳交替工作的方式，由CPLD 控制逻辑实现。CPLD 与 LPC2888 之间的硬件连结

7、如图 3 所示。此中 DMAEn 是 DMA通道的外面使能控制信号，其上涨沿启动一次 DMA操作。DMAReq 是 DMA数据同步信号，该信号控制数据节拍，每次 DMA操作传输 4096 个数据。IO 口 P2.0 和 P2.1 分别为启动停止和采样模式选择控制信号线，实现 LPC2888 对 CPLD 的控制。系统采 用 VerilogHDL 语言描绘 CPLD 控制逻辑，从 CPLD 到 LPC2888 内部缓存的 DMA 传输时序如图 4 所示。图 3CPLD 与 ARM接口 图 4GPDMA 传输时序图 2.2USB 高速设施接口的 DMA传输 USB 高速设施控制器支持 16 个物理

8、端点，此中 4 个端点支持 DMA方式。本设计中采纳三个端点：EP0、EP2 和 EP3。控制端点 EP0 工作在控制传输模式，用于接收USB 主机的 SETUP 令牌包、响应主机的标准设施恳求、达成 USB 设施的列举过程。EP2 配置为 OUT(输出模式，用于接收来自应用程序的控制命令。EP3 配置 为 IN(输入模式，采纳批量传输工作方式，负责将采样结果传输到PC 机。从 LPC2888内部缓存到计算机的 DMA传输由 USB 高速设施控制器内部的 DMA引擎 和 EP3 批量传输配合达成。为了达到较高的数据传输速度，EP3 批量传输采纳自动传输模式。DMA 引擎将 LPC2888 内部

9、缓存数据传输到 USB 设施控制器内部 FIFO 缓存中，当 FIFO 获取的暑枠頓挤?远獍蒃 P3 传输到 PC 机。同时，当 FIFO 中 数据为空时，控制器将自动启动 DMA引擎持续传输数据。该环节的 DMA传输过 程完好由 USB 高速设施控制器硬件实现，程序中只要改正 DMA源地点存放器并设置使能控制存放器即可启动一次 DMA传输。2.3 两个 DMA传输环节的协调 系统中利用 GPDMA 控制器产生的半满和全满中止信号协调两个 DMA对同一个缓存空间的操作，实现了 LPC2888 对整个数据传输过程的协调控制。当 DMA通道 3 工作时，采样数据从 CPLD 传输到 buffer1

10、，同时 USB 高速设施控制器对 buffer2 中的数据进行DMA操作;当 DMA通道 5 工作时，采样数据传输到 buffer2，USB 高速设施控制器对buffer1 中的数据进行操作。如图 5 中 LPC2888 程序流程所示。图 5LPC2888 程序流程 3、上位机软件设计 系统上位机软件包含两个部分：设施驱动程序和系统应用程序。开发 USB 设施的 一个重点问题在于设施驱动程序的编写。传统的开发工具是微软企业供给的设施驱 动开发工具包：WindowsDDK(DeviceDriverKits，以及由第三方企业鉴于 DDK开发的驱动程序开发工具包：WinDriver 或 Driver

11、Works。DDK鉴于汇编语言的编程方式和内核模式的调用，关于没有深沉的操作系统原理和编程水平的人员来说，任务相当艰巨。本文使用美国国家仪器 NI(NationalInstruments企业开发的 NI-VISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture顤橆 D 挤?肰 ISA 生成设施驱动程 序，避开了过去开发 USB 设施驱动程序的复杂性，同时直接使用虚构仪器软件设计平台 LabWindowsCVI 开发系统应用程序，缩短了开发周期。3.1 使用 NI-VISA开发 USB 设施驱动程序 NI-VISA是 NI企业开发的一种用来与各样仪器总线进行通讯的高级

12、应用编程接口。VISA总线 I/O 软件是一个综合软件包，它不受平台、总线和环境的限制，可用来对USB、GPIB、串口、PCI、VXI、PXI 和以太网系统进行配置、编程和调试。使用VISA能够很简单地实现计算机应用程序和 USB 设施之间的连结，降低了设施驱动的开发难度。VISA供给了两类函数供给用软件调用，USBINSTR 设施与 USBRAW 设施。USB INSTR 设施是切合 USBTMC(USB 测试丈量类协议的 USB 设施，能够经过使用 USBINSTR 类函数控制，通讯时无需配置 NI-VISA;而 USBRAW 设施是指除了明 确切合 USBTMC 规格的仪器以外的任何 U

13、SB 设施，通讯时要配置 NI-VISA。经过 配置后，VISA自动创立好设施驱动文件：inf文件和 PNF 文件。当相应的 USB 设施连结到计算机时，操作系统将自动安装该设施驱动并辨别该设施。3.2 系统应用程序设计 使用 NI-VISA开发的 USB 设施能够在 LabVIEW 和 LabWindowsCVI 中直接调用，此中有相应的 VI子节点和库函数对设施进行操作。本系统采纳 LabWindowsCVI 开发数据收集系统应用程序。对设施的操作按照顤橆 D 挤?设施，而后能够对设施进行读写、设置设施属性等操作，最后要封闭设施。目前应用程序设置有两种工作模式：示波器模式和连续收集储存模式

14、。示波器模式每隔必定的时间间隔启动一次收集，采纳模拟电平触发，采样长度固定，采样结果波形及时显示。连续收集储存模式启动收集后，系统将采样结果及时地储存到数据文件中。停止收集后，应用程序翻开数据文件对采样结果进行波形显示、数据办理等操作。系统应用程序界面如图 6 所示。4、系统测试结果 本文对该系统主要从以下四个方面进行了测试。1 将 CPLD 内部逻辑设定为传输固定数据，如 0 xAA55。系统在连续收集储存模式下工作，获取数据文件。采纳二进制文件编写软件 UltraEdit 查察数据文件，此中所有采样点结果均为0 xAA55。考证了数据传输过程的正确性。2 将 CPLD 内部逻辑设定为传输每

15、次增 1 的数据，获取采样数据文件进行查察。获取采样点结果为递加的数据，每次增量为 1。考证了数据传输过程没有丢掉采样点，保证了数据传输过程的靠谱性。3 将 CPLD 内部逻辑设定为传输 AD采样结果。系统工作在示波器模式下，及时查察采样结果波形。调整输入模拟信号幅值、频次和波形，分别获取相应的采样结果 波形。考证了 AD变换环节的正确性。图 6 所显示被采样信号为 250Hz 正弦信号，峰峰值 5V，采样速率 1MS/s。图 6 系统应用程序界面 4USB 接口数据传输速度测试。这里采纳总线剖析测试软件 BusHound 测试系统的数据传输速度。该软件能够察看 USB 设施的工作状况，读取目

16、前 USB 设施输入输出数据量的大小、数据传输速度和设施属性等信息，而且灶枠頓挤?傅墓鞑跋 臁馐允笔紫仍诵蠦usHound 软件，启动系统工作在连续收集储存模式，而后可 以在 BusHound中获取系统的数据传输速度。经测试，系统最高数据传输速度为16MB/s(128Mb/s。图 7 所示为 BusHound 软件界面和数据传输速度测试结果。图 7 软件 BusHound 的界面与速度测试结果 5、结论 本文使用嵌入式微控制器 LPC2888 和 CPLD 成功地达成了鉴于 USB 高速传输的数据收集系统。系统利用 CPLD 配合 GPDMA 控制器实现了从数据收集模块到 LPC2888 内部

17、缓存的 DMA数据传输，利用 USB 设施控制器 DMA引擎配合端点批量传输实现了从缓存到计算机的 DMA传输，并经过中止对两个环节进行协调实现了整个数据传输过程的 DMA传输。经测试，系统有效数据传输速度达 128Mb/s。在 USB 设施驱动应用程序的开发上，本文试试了一种新方法。配置 NI-VISA 生成驱动程序，在 LabWindowsCVI 中进行应用程序设计，经过 VISA 控制 USB 设施。实践证明：使用该方法开发的系统稳固靠谱，不需要开发者认识驱动程序内核，开 发难度低，是一种简单、迅速开发 USB 接口应用系统的好方法。参照文件 1 李华.USB 仪器将成丈量仪器主流.外国

18、电子丈量技术,2005,10:15.2 郭云鹏,吴卫华,张珺捷.虚构仪器技术与发展展望.中国科技信息,2005,18:92101.3 NXPSemiconductors.LPC2880/LPC2888datasheet.Version02,2006,9.4 NXPSemiconductors.LPC2880/LPC2888Usermanu顤橆 D 挤?5.5 苏兰兰,施伟峰.鉴于 VISA技术的高速 USB 数据收集系统.机电设 备,2007,4:3639.6 余志荣,杨莉.鉴于 NI-VISA与 LabVIEW 的 USB 接口应用设计.单片机与嵌入式系统应用,2007,1:6669.7 NationalInstruments.USBInstrumentControlTutorial.2007,6.8 刘思久,赵蔚.实现 USB2.0 高速数据传输问题的商讨.计算机工程与应用.2007,43:75-77.作者：罗伟林王立欣毛远根源：电子丈量技术 免责申明：本文仅代表作者个人看法，与 C114 中国通讯网没关。其原创性以及文中陈说文字和内容未经本站证明，对本文以及此中所有或许部分内容、文字的真切性、完好性、及时性本站不作任何保证或许诺，请读者仅作参照，并请自行核实有关内容。Wdf/wdm