1 引言
现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，对某些数据需要进行实时采集并存储。TI公司的TMS320-C6000系列DSP具有处理速度快，运算精度高，性价比高的特点，广泛应用于电子信息、自动化、音频编解码、视频压缩、仪器仪表等领域。在大型的UPS中，采用TMS320C6000作为数字控制器的核心，实现一个控制板控制多台UPS，大大降低了成本。TMS320C6000的HPI是主机接口，主机通过HPI接口可以访问DSP的所有地址空间，包括通过地址映射和DSP连接的外部存储器或设备。由于HPI的这种特性，使它非常适合作为UPS的各项数据采集接口，开发人员可以通过其对设备的数据进行读取以调试设备，用户可通过它了解设备的各项指标及设备的运行情况。由于对数据传输的速度要求非常高，故基本上只采用USB作为通讯媒介。
这里设计了基于TMS320C6713数字信号处理器和USB的实时数据采集系统。该系统利用DSP的HPI接口与USB通信。出于安全规则的要求，需将USB与HPI之间的连接隔离。因此。选择具有SPI接口的USB控制器MAX3420E实现隔离。
2系统硬件设计
整个硬件电路主要由TMS320C6713型DSP、传感器、A／D转换器THS1207、XC3S1200E型FPGA、USB控制器MAX-3420E、可将SPI接口转换为HPI接口的56F8356型DSP，以及对SPI口数据进行隔离的高速光耦HCPL-0723组成。该系统设计能够将采集到的数据实时、不限长地传输到PC存储或显示。整个系统的硬件结构如图1所示。
2.1系统工作原理
将传感器采集到的信号，经A／D转换器THS1207后，再由XC3S1200E送到TMS320C6713。TMS320C6713对数据处理后，通过HPI接口将数据送到MAX3420E。当MAX3420E接收到来自TMS320C6713的数据后，通过USB总线传给PC，完成整个数据采集过程。
2.2 TMS320C6713及其HPI接口
TMS320C6713是TI公司的一款高性价比的浮点型DSP，其主频达到300 MHz，非常适合用于运算精度要求高，运算量大的场合。TMS320C6713的HPI接口是一个16位宽的并行口。图2示出其与外部电路的接线。
HD是HPI的数据线；HCNTL[1：0]在通信中充当地址线的角色，用于选择被访问的寄存器及访问模式，可参考文献。HPI的总线宽度是DSP字长的50％，但HPI寄存器却是一个字长，所以访问HPI寄存器包含两次半字传输。HHWIL的功能就是判别当前在HPI总线上的数据是前一个半字，还是后一个半字。HAS是地址锁存信号，适用于数据信号与地址信号复用的主机，设计的系统中将其置高。HDS1、HDS2和HCS共同完成数据锁存，在DSP内部，这3个控制信号通过一个组合电路输出真正的数据锁存信号STROBE。为了降低控制的复杂性，本系统采用将HDS1置高，HDS2置低，并利用HCS控制HPI的内部STROBE。
2.3 USB控制器MAX3420E及其外围电路
选择具有SPI接口的MAX3420E作为USB控制器。MAX3420E支持USB2.0的全速模式(12 Mb／s全双工)；SPI接口SCLK信号的频率可达26 MHz。这既满足了通讯速率快和高实时性要求，又方便隔离。图3示出USB控制器及其外围电路。其中，MAX3420E的MOSI为数据输入引脚；MISO为数据输出引脚；SS为使能引脚；SCLK为同步时钟引脚。这4个引脚即为SPI接口，与56F8356的SPI接口通过光耦相连。56F8356工作在主模式，MAX3420E工作在从模式。SS输入引脚与地之间需连接一只33 pF的电容，以消除噪声。INT为中断请求引脚。当采用电平模式时，该引脚为开漏级，必须上拉至高电平。由于56F8356是独立供电，所以VBCOMP与VBUS相连，当有USB外设插入时，MAX3420E会检测到VCOMP引脚是否与VBUS有效连接。VBCOMP与地之间需连接1μF的旁路电容。56F8356的供电电压为3.3 V，因此VL接至3.3 V，与地之间需加一只1μF的旁路电容。
3系统软件设计
3.1 USB部分软件设计
USB主要有USB协议和收发数据两部分。一个USB系统中只有一个主控制器PC，所有通信都由主机控制；USB设备只是响应主机的请求。
56F8356通过SPI接口读写MAX3420E内部的21个寄存器，以对其控制。设计中使用写寄存器函数wreg()、write-bytes()和读寄存器函数rreg()、readbytes()来访问MAX3420E的寄存器。56F8356作为主器件，MAX3420E作为从器件。这几个函数的核心是SPI的收发操作。
下面给出写寄存器的相关程序代码：
USB协议代码包括识别并响应USB总线复位、识别并响应USB总线挂起事件、通过主机恢复(唤醒挂起状态)、USB枚举。其中USB枚举占了绝大部分代码。
固件程序中，进行收发数据的两个函数为DO_OUT1()和DO_IN2()。前者用于完成主机向设备发数后，设备将数接收保存以便处理的功能，本设计中用它来接收用户自定义的采样周期地址和采样结果地址。后者用于完成设备向主机发数据的功能。当没有HPI的数据时，就发送一个固定的字符；当HPI的数据过来后，就发HPI的数据。设备必须不停地向主机发数据，否则在主机应用程序中调用Readfile时就会出现死机情况。为便于PC区分哪些数据有效，当没有数据可以发送时，向EP2FIFO写人"FF"，PC接收到"FF"后，删除这些无效数据。
3.2 HPI部分软件设计
从通信角度来看，主机与HPI的通信实际就是对HPI寄存器的访问。DSP内部负责通过DMA方式将HPI寄存器与DSP内部单元联系起来，从而达到主机访问DSP内部资源的目的。HPI寄存器包括控制寄存器HPIC，主机或DSP均可访问，该寄存器内容是HPI操作的控制和状态位；地址寄存器HPIA，直接由主机访问，该寄存器内容是当前寻址HPI存储器的地址指针；数据寄存器HPID，直接由主机访问。
一个完整的HPI通信过程分为下述3个步骤：一是写HPIC，设置HPI控制参数；二是写HPIA，告诉HPI要访问的DSP内部地址；三是通过访问HPID，实现访问DSP内部资源。实际中，如果不需要改变HPI控制参数的话，只需在第1步设置HPIC就可以了，后继工作可交给主机负责。当HC-NTL选择自增模式时，每次访问HPID后HPIA中的地址都会自动加1；下一次访问HPID之前，无需访问HPIA，提高了通信速度，特别适用于访问大片连续地址的单元。由于TMS320C6713的最小存储单位是32位，而A／D转换器是12位，在56F8356采集这些数据时，只采集低半字即可。
3.3主机应用程序
采用VB开发主机应用程序。PC对USB设备的访问是每隔1 ms进行一次，每次访问之后将获得的结果存储在缓冲区内，调用API函数readfile()读取该缓冲区内的数据，如果不能及时读取这些数据，则新数据就会取代旧数据。为了能及时取走这些数据，最初的设计思路是设置一高精度定时器，定时读取数据，但随着定时器固有误差的累积，会出现缓冲区数据漏读现象。为解决这一问题，采用了不间断访问缓冲区的策略，一旦缓冲区溢满，就读取数据，并储存在一个大数据区内。结果证明，这种方法很好地解决了定时读取数据的弊端。
采用非实时打印法打印PC采集到的数据，避免打印时间过长，造成缓冲器漏取现象的发生。
图4给出主机操作界面。用户可以在访问地址中选择3个通道采样值的存储地址，当点击"Initialize"按钮后，操作程序会把这些信息发送给56F8356，完成初始化过程。"采样时间"用来设定本次数据采集的时间，最大能达到30 s。
"绘图数据范围"用来确定本次希望绘制在界面上端并打印在"Data Received"区域的数据范围，这些数据以10 ms为单位，如果希望清晰绘制这些数据，可以选择"少量数据绘图"；如果想看到多个数据的曲线，可以选择"绘图模式"中的"大量数据绘图"选项，它可以绘制较多的数据，但绘制出的曲线比较稠密，不利于观察。
按钮"Initialize"用来初始化HPI，点击"start"按钮开始数据采集过程，数据采集完成之后，会在"data received"下的空白区域打印"data have been received completely"，看到这一提示后，可以设定期望打印的数据段，然后点击"picture"开始打印数据并绘制曲线。如果用户只想看到绘制的曲线，可以勾选"don't print data in this text box"选项，这样在点击"picture"后，就只绘制曲线，而不打印数据。
4结语
USB接口以其传输速度快、可靠性和稳定性高、支持热插拔，使用简单等特点而应用广泛。基于DSP和MAX3420E的实时数据采集，系统实现了高速实时、不限长数据采集并具有隔离作用的功能。经过由DSP处理后的数据可通过USB接口输送到任何具有主USB功能的设备，因此具有很好的实用价值。
