該結構圖中,CPLD和FPGA實(shí)現模塊接口,包括串并轉換、8位和32位數據總線(xiàn)間的轉換、SRAM等功能。采樣結果經(jīng)過(guò)CPLD送至DSP運算處理（FFT變換、相關(guān)分析、功率譜分析等）后,由FPGA和USB接口送至主控計算機存儲和顯示。計算機應用程序易于實(shí)現豐富的圖形界面,具有良好的人機接口。
1 模數模塊
本系統主要用于振動(dòng)信號和噪聲分析,要求采樣精度高,采樣頻率不超過(guò)100kHz。根據要求選用CRYSTAL公司的CS5396。該芯片原本用于立體聲采樣,基于∑-Δ結構,采樣精度高,24位分辨率,120dB的動(dòng)態(tài)范圍;采樣頻率32kHz、44.1kHz、48kHz、96kHz可選;內部集成采樣保持器、模擬低通濾波器、數字濾波器,同時(shí)還具有時(shí)采樣功能;兩路同時(shí)采樣,串行輸出,串行數據由CPLD轉換成24位并行數據;由于該芯片量程是4V,差分輸入,所以模擬部分只需再加上簡(jiǎn)單量程放大電路即可。這樣模擬電路十分簡(jiǎn)單,抗干擾能力強、精度高。
2 DSP處理器
選擇DSP處理器時(shí)主要考慮其運算速度、總線(xiàn)寬度和性?xún)r(jià)比。本系統采樣結構24位,最好選用32位DSP;系統要進(jìn)行實(shí)時(shí)信號分析、模態(tài)分析等,要求有較高運算速度,所以選用TI公司的32位浮點(diǎn)DSP——TMS320VC33。該芯片采用哈佛結構,6級流水線(xiàn)操作,指令執行周期7ns,外設包括一個(gè)DMA控制器和一個(gè)緩沖串口。
N點(diǎn)復數FFT變換約做2N×Log2N次實(shí)數乘法運算和3N×Log2N實(shí)時(shí)加法運算。TMS320VC33的乘法、加法都是單周期指令,取N=1024,不計內存訪(fǎng)問(wèn)和其它時(shí)間,則一次FFT所需時(shí)間為：10×5120×17ns約0.9ms。而按96KSPS的采樣頻率計算,1024點(diǎn)的采樣時(shí)間約10ms,可見(jiàn)該DSP速度足以滿(mǎn)足要求。
該DSP啟動(dòng)模式可選,上電后執行駐留在低地址空間的BOOTLOADER;然后根據4個(gè)中斷輸入信號的狀態(tài)判斷啟動(dòng)模式,可以從RAM、ROM或串行口啟動(dòng)。本系統選擇串行口方式。這樣,DSP程序可以直接從PC下載送至DSP接口,做到在系統調試,具有極大的靈活性。
3 USB接口
USB協(xié)議的實(shí)現基于網(wǎng)絡(luò )的思想,是一種共享式的總線(xiàn),在總線(xiàn)上數據以包（Packet）的形式發(fā)送。USB的數據傳送有4種模式：塊傳輸（Bulk Transfers）、中斷傳輸（Interrupt Transfers）、同步傳輸（Isochronous Transfers）、控制傳輸（Control Transfers）。當需要快速傳輸大批量的準確數據時(shí),一般采用塊傳輸模式;當傳輸實(shí)時(shí)性較強的數據時(shí),采用中斷傳輸模式。
當USB設備插入計算機時(shí),計算機和USB設備之間產(chǎn)生一個(gè)枚舉過(guò)程。計算機檢測到有設備插入,自動(dòng)發(fā)出查詢(xún)請求;USB設備回應這個(gè)請求,送出設備的Verdor ID和Product ID;計算機根據這兩個(gè)ID裝載相應的設備驅動(dòng)程序,完成枚舉過(guò)程。
由于USB協(xié)議非常復雜,開(kāi)發(fā)者不可能在底層基礎上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。目前,市場(chǎng)上對USB協(xié)議進(jìn)行封裝的接口芯片,如：National Semiconductor公司的USBN9602、Plilips公司的PDIUSBD12等。本系統選用CYPRESS公司的帶單片機內核的EZ-USB系列的AN2131QC.該芯片遵從USB1.0規范（12Mbps）,將8051單片機內核、智能USB接口引擎、USB收發(fā)模塊、存儲器、串行口等集成一起,從而減少芯片接口時(shí)序。其內部結構如圖2（虛線(xiàn)內是芯片部分）。
EZ-USB的8051代碼（Firmware）可以固化在ROM內;更好的方案是通過(guò)USB口從主機下載到內部RAM,這樣,易于修改、調試和更新。之所以能下載代碼是因為芯片一上電完全在硬件上自動(dòng)完成枚舉過(guò)程,不需要Firmware。完成枚舉后便可作為一個(gè)USB設備（叫做缺省USB設備）與計算機通訊,此時(shí)即可進(jìn)行Firmware下載。下載完后,8051內核脫離RESET狀態(tài)開(kāi)始執行代碼?？梢酝ㄟ^(guò)Firmware對USB設備重新配置,這個(gè)重新配置過(guò)程叫做再枚舉。
在EZ-USB中,缺省USB設備的接口中包括14個(gè)Endpoints,如表1所示。
表1 缺省USB端點(diǎn)（Endpoint）
計算機與USB設備的數據通信主要包括兩個(gè)方面：一是讀取采樣數據;二是給USB設備發(fā)送控制命令。發(fā)送控制命令先發(fā)送一個(gè)命令包（消息）,然后根據情況發(fā)送后續數據或從設備讀取響應數據。因此,根據EZ-USB芯片的功能,直接使用缺省配置中的6個(gè)Endpoint。
在缺省配置基礎上可以編寫(xiě)適合需要的代碼,如果對8051編程經(jīng)驗豐富的話(huà),完全可以在不需要調試工具的情況下編寫(xiě)Firmware。
本系統Firmware結構建立在對消息隊列不斷服務(wù)基礎上,即構建一個(gè)消息隊列,當接收到任何一方（DSP或計算機）的消息時(shí),將其放入消息隊列。消息的接收是通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)實(shí)現的。當處理完一個(gè)消息時(shí),從消息隊列取出下一個(gè)消息進(jìn)行處理。這種軟件結構非常簡(jiǎn)單,思路清晰,對調試十分有利。
USB設備驅動(dòng)程序基于WDM。WDM型驅動(dòng)程序是內核程序,與標準的Win32用戶(hù)態(tài)程序不同。采用了分層處理的方法。通過(guò)它,用戶(hù)不需要直接與硬件打它道（在USB驅動(dòng)程序中尤為明顯）,只需通過(guò)下層驅動(dòng)程序提供的接口號訪(fǎng)問(wèn)硬件。因此,USB設備驅動(dòng)程序不必具體對硬件編程,所有的USB命令、讀寫(xiě)操作通過(guò)總線(xiàn)驅動(dòng)程序轉給USB設備。但是,USB設備驅動(dòng)程序必須定義與外部設備的通訊接口和通訊的數據格式,也必須定義與應用程序的接口。
本系統的驅動(dòng)程序是在Compuware Numega Driver-Works的基礎上采用面向對象語(yǔ)言C++開(kāi)發(fā)的。Driver-Works可以很快構造出驅動(dòng)程序的框架。主要構造了兩個(gè)類(lèi)：Class USB
Class USBDAC的定義如下：
在系統引導或I/O管理器裝入驅動(dòng)程序時(shí),調用這個(gè)例程。執行大量的初始化函數,包括建立到其它驅動(dòng)程序的指針、查找和定位由驅動(dòng)程序使用的任何硬件資源等,不過(guò),這部分工作大多由基類(lèi)Kdriver完成。*/
4 FPGA
FPGA模塊主要實(shí)現單片機與DSP間的數據緩沖、8位數據線(xiàn)與32位數據線(xiàn)間的轉換、單片機同步串口和DSP緩沖串口的切換。要求FPGA能實(shí)現豐富的內部RAM和準確的時(shí)鐘控制。根據需要選用XILINX公司的XCV50TQ144。該器件采用SRAM 查找表結構,具有系統內可再編程（ISP）和運行間可再配置等特性。系統初始化時(shí)由USB口下載FPGA程序,通過(guò)單片機串口對其進(jìn)行線(xiàn)配置。
本系統可廣泛用于振動(dòng)、噪聲測試分析?？梢栽赪INDOWS95/98/NT下開(kāi)發(fā)各類(lèi)動(dòng)態(tài)測試與信號處理的應用程序,根據需要加載已經(jīng)編制的各種DSP算法,使其具有信號分析、模態(tài)分析、聲學(xué)分析、環(huán)境測試、長(cháng)時(shí)間記錄等功能。
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