在图像数据处理系统中，常常需要对高速信号进行采集与处理。例如，在光传感技术中对光脉冲散射信号的测 量，在雷达工程中对电磁脉冲信号的测量等，都需要对高速信号进行采集与运算，而且此类高速信号的测量，往往对数据采集与处理系统提出严格的要求。本文设计 并实现一种基于DSP和USB的高速数据采集与处理系统。该系统电路简单，可靠性好，具有一定的通用性，并且可以进行多通道扩展。
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1 原理概述
基于DSP和USB的高速数据采集与处理系统的原理框图如图1所示。系统上电后，DSP、FPGA 分别由各自的FLASH加载程序，采集与处理系统开始运行。在A/D变换器完成转换后由FPGA向DSP发送中断0申请信号，DSP从A/D FIFO RAM中读取数据，并进行小波变换去噪处理，处理结束后DSP向USB控制器发送中断申请信号，USB控制器将处理后的数据发送至PC机，由主机应用程序 显示数据。主机应用程序还可以对整个采集、处理系统进行控制，主要设定三个功能：接收处理后的数据，接收处理前的数据，设定A/D的采样频率和采样点数。
2 系统硬件设计
系统硬件设计主要分为三大部分：DSP部分、FPGA部分、USB部分。
2.1 DSP部分设计
本系统使用的DSP芯片为TI（德州仪器）公司的TMS320VC33，它是TI公司推出的性价比极高的32位浮点型数字信号处理芯片，是目前在国内外使用最为广泛的浮点DSP之一。
TMS320VC33具有以下特点：哈佛结构；流水线操作；专用的硬件乘法器；特殊的DSP指令； 快速的指令周期。另外，TMS320VC33还具有强大的浮点运算能力，运算速度可达 150MFLOPS（每秒百万次浮点运算），处理能力达到 75MIPS（每秒百万次指令周期）。而且，它还采用3.3V I/O电压和1.8V处理器核电压使功耗降低到200mW。
DSP部分的电路设计主要是为TMS320VC33的外围电路设计。TMS320VC33的 STRB0和引脚分别连接存储器的片选和使能引脚，实现程序/数据存储器的扩展；引脚接到高电平，INT2引脚接到低电平，实现上电后程序自加载；由 TMS、TDI、TDO、TCK、、EMU0、EMU1等引脚组成程序下载口，以方便DSP程序调试。
2.2 FPGA部分设计
因为本系统的逻辑比较复杂，为了有效地减少硬件的体积、提高硬件系统的可靠性，这里把所有的逻辑控 制电路、各种存储器/寄存器的地址译码电路都用一块超大规模现场可编程逻辑门阵列（FPGA）XC3090来实现。逻辑控制电路包括：命令寄存器、采样点 数/采样频率设定寄存器、中断申请信号发生器、将A/D结果写入FIFO RAM的控制电路、USB及其FIFO和A/D FIFO状态检测电路。
2.3 USB部分设计
TMS320VC33与USB控制器AN2136SC之间通过双向FIFO 交换数据,握手信号使用AN2136SC的PC口。当USB为接收缓冲器时,DSP读,AN2136SC写;当USB为发送缓冲器时,DSP写, AN2136SC读。PC(0)～(3)用作二者的读写通道,方向可编程确定; PC(4)用于TMS320VC33向AN2136SC申请中断;PC(5)用于AN2136SC复位USB接收缓冲器;PC(6)用于USB接收器满标 志,若接收器已满则禁止AN2136进一步对USB接收缓冲器写入;PC(7)用于USB发送缓冲器空标志,若缓冲器已空则禁止AN2136SC进一步对 USB发送缓冲器读出。
3 系统软件设计
系统软件主要包括五大部分：DSP程序（用于A/D采样控制、数据处理、DSP与USB总线之间的信息交换）、USB总线驱动程序、USB固件程序（用于PC机与DSP之间的数据交换与处理）、主机应用程序、FPGA中对地址的译码程序和各个寄存器的实现程序。
3.1 DSP程序
DSP程序首先对DSP进行初始化（中断初始化、片外选通信号初始化、设定系统默认的采样点数/采 样频率等），然后等待中断（中断0的程序主要用于对A/D数据的读取和处理，并向主机发送处理后的数据；中断1的程序主要用于分析主机的命令，针对主机的 命令设定系统的采样点数/采样频率，并发送主机需要的数据）。程序框图如图2所示。
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3.2 USB固件程序
固件程序代码由USB芯片集成的加强型8051单片机处理。当EZ-USB设备连接到USB口时， 主机进行总线枚举，首先根据设备ID使用系统程序将固件下载到芯片内部，然后进行重枚举，固件作为用户的功能设备开始执行。CYPRESS公司提供的固件 程序框架，用来完成控制传输工作和大部分的数据传输工作。本接口电路的固件程序就是基于此固件框架开发的，并使用Keil C进行编译。USB接收的DSP中断程序如下：
void ISR_IDT(void) interrupt INT0_VECT
{FASTXFR = 0x40; 使能快速传模式
AUTOPTRL=LSB((WORD)&IN4BUF); 将自动指针指向端点4缓冲器
AUTOPTRH=MSB((WORD)&IN4BUF);
for(i=0;i<64;i++)
{AUTODATA=ACC}; 接收数据
FASTXFR=0x0;
IN4BC=64; 发送数据大小
EZUSB_IRQ_CLEAR();
IN07IRQ=bmEP4; 使能端点4}
3.3 主机应用程序
为了实现与驱动程序的通信，应用程序首先创建一个事件和一个线程，然后将事件句柄传递给WDM，用线程等待WDM发送的事件消息，接收到事件消息后，就读取驱动程序的数据，显示数据。
在Windows中，Win32应用程序调用的API函数有五个：CreateFile()、ReadFile()、WriteFile()、DeviceIoControl()和CloseHandle()。
应用程序为打开一个WDM设备驱动程序，使用CreateFile()函数。它的第一个参数是一个 符号链接名。如果用DriverWorks创建一个WDM驱动程序，通常会用类KUnitizedName生成一个设备符号链接名。这个名字的后面有一个 数字，一般是一个0。例如，若符号链接名为L“USBDevice”，则传递给CreateFile()的是“.USBDevice0”。
一旦应用程序获得设备的有效句柄，它就能够调用Win32函数，这将产生对应于此设备对象的相应的IRP，发送给驱动程序，完成相应功能。
有关代码如下：
HANDLE hDevice hDevice= CreateFile(“.USBDe-vice0”,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, NULL,OPEN_EXISTING,
FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,NULL); //打开设备句柄
ReadFile(hDevice,buf,n,&nRead,NULL); //读操作
4 试验结果
本系统软硬件调试均已成功，图3为CCD在半遮挡情况下原始信号的波形。本系统还可以采集和处理图像信号（例如CCD面阵信号）。
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