基于USB2.0的高速无线数传接收设备的数据接收存储方法

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摘要：介绍了一种利用USB2.0接口芯片ISP1581并配合FPGA芯片EP1K30T144和DSP芯片TMS320F206实现无线数传接收设备中数据接收存储的方法。这种方法具有接口简单、使用方便等特点。

    关键词：位同步 帧同步 USB2.0 差错控制

数据接收存储技术革新是信号采集处理领域内的一个重要课题。利用这种技术，可以把信号的实时采集和精确处理在时间上分为两个阶段，有利于获得令人更满意的处理结果。在无线数传接收设备中应用数据接收存储方法时，除了要满足数据传输速率和差错控制方面的要求外，还需要考虑如何使设备易于携带、接口简单、使用方便。

传统外设接口技术不但数据传输速率较低，独占中断、I/O地址、DMA通道等计算机系统关键资源，容易造成资源冲突问题，而且使用时繁杂的安装配置手续也给终端用户带来了诸多不便。近年来，USB接口技术迅速发展，新型计算机纷纷对其提供支持。USB2.0是USB技术发展的最新成果，利用USB2.0接口技术开发计算机外设，不但可以借用其差错控制机制[1][6]减轻开发人员的负担、获得高速数据传输能力（480Mb/s），而且可以实现便捷的机箱外即插即用特性，方便终端用户的使用。

1 无线数传接设备总体构成

无线数传接收设备是某靶场测量系统的一个重要组成部分。如图1所示，该设备由遥测接收机利用天线接收经过调制的无线电波信号，解调后形成传输速率为4Mb/s的RS-422电平差分串行数据流。以帧同步字打头的有效数据帧周期性地出现在这些串行数据中。数据转存系统从中提取出有效的数据帧，并在帧同步字后插入利用GPS接收机生成的本地时间信息，用于记录该帧数据被接收到的时间，然后送给主机硬件保存。

在无线数传接收设备中，数据转存系统是实现数据接收存储的关键子系统。下面将详细介绍该系统的硬件实现及工作过程。
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2 数据转存系统基本构成及硬件实现

数据转存系统主要由FPGA模块、DSP模块、USB2.0接口芯片构成，各个模块之间的相互关系如图2所示示。图中，4Mb/s的串行数据输入信号SDI已由RS-422差分电平转换为CMOS电平。为突出重点，不太重要的信号连线未在图中绘出。下面分别介绍这几个模块的主要功能。

2.1 FPGA模块实现及春功能

FPGA模块在Altera公司ACEX系列的EP1K30TI144-2芯片中实现。其中主要的功能子模块有：位同步逻辑、帧同步逻辑、授时时钟和译码逻辑。位同步逻辑主要由数字锁相环构成，用于从串行数据输入信号SDI中恢复出位时钟信号。帧同步逻辑从位同步逻辑的输出信号提取帧同步脉冲。两者为DSP利用其同步串行口接收串行数据作好准备。这样，利用一对差分信号线就可以接收同步串行数据，简化了印制电路板的外部接口。授时时钟在DSP和GSP接收机的协助下生成精度为0.1ms的授时信息。译码逻辑用于实现系统互联。

2.2 DSP模块实现及其功能

DSP模块是数据转存系统的主控模块，在T1公司16位定点DSP芯片TMS320F206[4]中实现。在DSP的外部数据空间还配置了32KX16的高速SRAM，可以缓存80余帧数据，用于提高系统的差错控制能力。DSP利用同步串行口接收FPGA送来的同步串行数据，利用异步串口接收GPS接收机送来时间信息（用于初始化FPGA授时时钟），利用外部总线接口访问FPGA授时时钟、外部SRAM、ISP1581的片内寄存器。可以看出DSP模块主要用于完成数据帧的接收、重组以及转存调度等任务。
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    ISP1581芯片是PHILIPS公司推出的高速USB2.0设备控制器，实现了USB2.0/1.1物理层、协议层，完全符合USB2.0规范，即支持高速(480Mb/s)操作，又支持全速（12Mb/s）操作。ISP1581没有内嵌微处理器，但对微处理器操作了灵活的接口。在上电时，通过配置BUS——CONF、DAO、MODE1、MODE0、DA1引脚电平可以适应绝大多数的微处理器接口类型。例如，通过BUS_CONF/DA0引脚，总线配置可以选择普通处理器模块（Generic Phocessor mode）中分割总线模式（Split Bus Mode）；在普通处理器模式下，通过MODE0/DA1引脚可以选择读写选通为8051风格或者Motorola风格。

在数据转存系统中，ISP1581用于处理主机的高速数据传输。它工作在普通处理器接口模式下，采用8051风格的读写选通信号，由DSP芯片TMS320F206控制。两者在选定工作方式下的信号连线如图3所示，图中未画出的信号引脚可以悬空，供电引脚的连接方式在参考资料[2]第46页有简明描述。在FPGA译码逻辑的作用下，ISP1581的片内寄存器被映射在DSP的片外数据空间中。DSP通过8位地址线选择要访问的寄存器，在读写选通信号的控制下，利用16位数据线与选定的寄存器交换数据。在访问ISP1581单字节寄存器时，数据总线高字节内容无关紧要。ISP1581通过中断引脚INT向DSP报告发生的总线事件，利用D+、D-引脚完成与主机的数据交换。

3 数据转存系统的工作过程

系统加电后，当FPGA配置过程结束时，如果有串行数据输入，位同步逻辑和帧同步逻辑便启动同步过程。同时，DSP片内FLASH中复位中断服务程序c_int0()[4]被立即执行，在建立好C语言的工作环境下，它会调用主函数main()。在main()中，需要安排好一系列有先后顺序的初始化工作。其中，ISP1581的初始化过程比较复杂，需要考虑设备采用的供电方式（这里为自供电[6]方式）、插接主机和系统上电的先后次序，并需要与USB总线枚举[1][6]过程相结合。

在FPGA中的位同步逻辑和帧同步逻辑均进入同步状态，且DSP主控模块配合主机完成初始化任务后，即可启动数据的传输过程。下面介绍一下ISP1581的初始化过程及DSP控制的数据帧的接收机转存流程。

3.1 ISP1581的初始化

在初始化过程中，首先需要设置影响ISP1581自身工作方式的一些寄存器，然后与主机端USB系统配合进行，应答来自主机端的设备请求。当数据转存系统板作为USB 2.0设备通过连接器连到主机USB根集线器上的一个端口时，主机便可检测到这一连接，接着给该端口加电，检测设备并激活该端口，向USB设备发送复位信号。设备收到这一复位信号后，即进入缺省状态，此后就能够通过缺省通信通道响应主机端送来的设备请求。主机通过描述符请求（GET_DESCRIPTOR）获得设备端的详细信息，通过设置地址请求（SET_ADDRESS）设置设备地址，通过设置配置请求（SET_CONFIGURATION）选定合适的设备配置。在设备成功响应了这些设备请求之后，就可以与主机通信了。
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