TMS320VC5502图像传输系统的USB接口扩展

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    0 引言
　　一个典型的水下图像传输系统采用DSP(数字信号处理器)作为实时图像处理的核心单元，并用PC机建立良好的人机界面，以完成图像的采集和显示。因此，PC上位机与DSP间需进行一种高效、快速的数据传输。目前PC机和DSP常采用RS-232串口通信方式实现数据交换，其通信协议简单，但在大数据量的图像信息传输中，很难满足系统的实时性要求。此外，PC机本身串口资源也十分有限。而USB(通用串行总线)作为一种快速且有弹性的新式接口，可以满足多数情况下大数据量实时交换的要求。
　　本文提出一种基于USB接口的图像传输系统方案，介绍DSP和上位机间的USB接口设计，利用TI公司的DSP芯片TMS320VC5502和Cypress公司Ez-USB SX系列芯片CY7C68001，完成USB接口扩展的软硬件设计，实现DSP与上位机间的高速数据传输。
　　1系统整体方案
　　系统整体结构如图1所示。
　　在发送端，PC机将待发送图像转换为数据比特流送到USB总线上，同时，在主机屏幕上显示原图像。图像数据经DSP和外围电路的处理后送人信道。接收机对接收信号进行处理后，通过USB总线把图像数据传回上位机并显示接收图像。其中，DSP和上位机间的USB接口设计是本文的重点。
        



　　2硬件设计
　　USB接口扩展的硬件设计如图2所示。
         


　　TMS320VC5502是一款定点16位芯片，作为TI公司TMS320C5000 DSP平台上性价比最佳的新型产品，其运算速度高达600亿次乘加运算每秒。它具有1条32 bit的程序读总线和5条16 bit的数据总线，片上集成有ROM(16 k×16 bit)、DARAM(32 k×16 bit)等存储器和丰富的外设资源，可满足大数据量的图像处理要求。此外，芯片低功耗(不到200 mW)的特点使它可以应用到水下图像传输系统中。
　　由于DSP的I／O口资源有限，系统采用FP-GA芯片EPF10k10A完成地址译码。它具有66个用户IO口，将DSP的部分地址线连接到FPGA的IO口并配置为输入端口，通过FPGA程序模拟译码器逻辑，可以产生Flash存储器、SDRAM、USB、UART等所有与DSP通信的模块片选信号，从而实现DSP的I／O口扩展。
　　USB通信协议较复杂，因此，本系统采用Cypress公司的CY7C68001芯片实现USB2.0接口，该芯片集成了USB2.0收发器和SIE(串行接口引擎)，分别完成物理层和链路层的数据通信管理，USB的应用层协议由TMS320VC5502编程实现。
　　CY7C68001芯片支持高速(480 Mbit／s)或全速(12 Mbit／s)USB数据传输；内部有4个端点(End-point)共享4 kB的FIFO，每个端点对应的FIFO空间大小及FIFO状态可编程；芯片还具有智能SIE功能，可在不借助微处理器中断的前提下完成枚举。
　　CY7C68001具有16根数据总线FD[15：0]，3根地址线FIFOADR[2：0]用于选通命令接口或指定的FIFO。此外，／INT信号表明CY7C68001有中断事件发生，或通知DSP对CY7C68001的读操作结束；READY信号表明CY7C68001处于可读写状态。
　　3软件编程
　　3.1主机端程序
　　USB协议中包含控制型(contro1)、等时型(Isoch-ronous)、中断型(Interrupt)和批量型(Bulk)4种基本的数据传输类型。其中，批量传输特别适合大数据量的传输，在没有带宽和间隔时间要求时，可以保证快速准确的传输。因此，本系统采用批量传输方式进行PC机与DSP间的图像数据传输。
　　主机端软件包括3个部分：
　　a)CY7C68001的驱动程序，用于实现USB设备的发现、配置和关闭，实现数据传送接口与控制等功能。结合EZ-USB的GPD(通用设备驱动程序)，在Windows WDM DDK环境下编译生成驱动程序的系统文件(.sys)。
　　b)安装USB时的信息文件(.inf)，用于将驱动程序绑定到特定设备的Verdor ID(VID)和Product ID(PID)。当USB设备插入计算机时，计算机检测到设备插入后自动发出查询请求；USB设备回应该请求，并送出设备的VID／PID。计算机根据这两个ID装载相应设备驱动程序，完成枚举。
　　c)系统上位机(PC)处理程序，采用Microsoft Vis-ual C++软件编写，通过对界面上控件的操作产生消息，使CPU执行相应的动作。以发送端为例，主机程序流程如图3所示。
        



　　驱动程序与应用程序的接口函数定义如下：
        


　　对用户而言，所有应用程序均通过IO控制来访问EZ-USB GPD。以上接口函数主要调用两个Win32API函数：首先通过CreatFile()连接USB设备并获取访问设备驱动程序的句柄；再调用DeviceIoControl()提交I／O控制码(IOCTL)，向驱动程序发送相应命令，并为CreatFile()返回的设备句柄设置I／O缓冲区。部分源代码如下：

　　


　　
　　3.2 DSP端程序
　　USB主机与设备间的数据传输是通过设备中的端点(Endpoint)进行的。这些端点通过端点号和输入输出方向来进行标识，并为数据传输分配固定FIFO存储区。本系统在初始化时将CY7C68001的4个端点配置为批量传输类型。其中，FIF02、FIF04为输出端点，用于接收上位机传来的数据；FIF06、FIF08为输入端点，用于存放待发送的数据。各个FIFO设置为异步工作模式。
　　DSP经初始化后打开USB外部中断，向CY7C68001写入描述符表，等待其枚举中断。枚举成功后，DSP对CY7C68001进行其他配置并清空FIFO，然后等待主机发送用户请求并进行相应处理。
　　程序流程如图4所示。程序在TI CCS 2.2集成开发环境下进行编译并调试通过。
        



　　3.2.1 USB的初始化
　　在每个USB设备的内部都有一个设备描述符(descriptor)表，它包含了设备的全部要求和特性。通过主机与设备间的控制传输来辨识并配置新连接上的USB设备的过程称为设备枚举(enumeration)。CY7C68001芯片内有一个大小为500字节的描述符RAM，用于存放描述符表，内部寄存器DESC用于存放描述符表的长度。
　　CY7C68001的枚举方式有EEPROM自举和通过DSP自举(默认)2种。本系统采用默认方式，先由DSP向DESC寄存器写入2字节的描述符表长度，再通过命令口将描述符表按字节写入描述符RAM。描述符表写入后，DSP等待CY7C68001的枚举成功中断。枚举成功后，CY7C68001完成对各端点的配置。
　　3.2.2 CY7C68001的寄存器读写
　　DSP采用二次寻址方式对CY7C68001寄存器进行读写，即首先通过命令口将要寻址的寄存器子地址和操作类型(读／写)写入，然后通过命令口将数据读出或写入。具体步骤可参考CY7C68001芯片手册。
　　3.2.3 CY7C68001的中断
　　SX2共有以下6个中断源：
　　SETUP：SX2收到无法自动处理的上位机请求；
　　EPOBUF：端点0的缓冲区处于可读／写状态；
　　FLAGS：OUT端点FIFO转为非空状态；
　　ENUMOK：SX2枚举成功；
　　BUSACTIVITY：总线挂起／恢复；
　　READY：从低功耗通过WAKEUP引脚被唤醒。
　　当有中断事件发生时，CY7C68001通过INT信号触发：DSP中断。DSP在USB的ISR(中断服务子程序)中通过读命令口来判断中断源，并设置相应中断标志。若为SETUP中断，即SX2收到无法自动处理的用户请求(如用户定义的批量读／写)，则在随后的中断处理中，ISR从命令口依次读入8个字节，存入用户命令缓冲区中，再由主程序解析执行。
　　4结束语
　　本系统利用USB2.0接口芯片CY7C68001实现上位机和DSP的高速图像数据传输，为水下图像传输系统建立良好的人机界面，用户利用PC机将待发送的图像送入发送机的DSP，接收机的DSP将收到的图像数据送回PC机并显示，用户可对发送和接收到的图像进行直观对比。
         
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