一种CCD光谱仪的USB2.0固件设计

　　1 引言

　　典型的CCD 光谱仪主要由准直系统、分光系统、聚焦系统、CCD、数据采集和数据传输接口构成, 其中数据传输接口是整个系统中比较重要的一环, 承担着与上位机进行数据通信的任务, 它的性能直接影响光谱仪的应用, 在一些要求高速、高精度光谱数据采集的场合, 数据传输接口的速度直接决定CCD光谱仪的最小曝光时间和最高采样频率, 为克服这类数据传输瓶颈, 我们在课题中设计CCD 光谱仪的USB2.0 接口方式,采用CYPRESS 公司的CY7C68013 作为USB2.0 接口芯片, 利用其全面支持USB2.0 协议, 内部集成了智能 SIE、FIFO、8051内核、RAM和GPIF 等模块的特性, 方便的实现了CCD 光谱仪的USB2.0 高速传输。

　　2 GPIF工作模式

　　2.1 GPIF 外围电路接口

　　CY7C68013 与外围电路接口可以采用 Slave FIFO 工作模式和 GPIF 工作模式, 前者需要外部逻辑电路控制端点 FIFO 进行高速传输, 而后者本身即是端点 FIFO 的控制者, 可以代替外部逻辑电路与外围器件建立一个接口, 在 CCD 光谱仪中, 为充分利用CY7C68013 芯片资源和简化电路设计, 采用GPIF 工作模式。系统中, 与GPIF 接口的是IDT 公司的IDT72V254, 它是一款高速、低功耗的FIFO 芯片, 具有4096 字深, 用来缓存CCD产生的光谱数据, 当CCD 光谱仪工作时, 首先由CY7C68013 设置CCD 驱动电路的 采集参数, 然后由CCD 驱动电路向IDT72V254 写入一帧帧光谱数据, 同时通过改变RDY0 电平通知GPIF 进行数据读取, 图1 是CY7C68013 中GPIF 与外围电路的接口。

　　2.2 GPIF 波形描述符设计

　　CCD 光谱仪数据读取在GPIF 控制下进行的, 而GPIF 动作又由GPIF 波形描述符(GPIF Waveform) 约束, 本文采用CY-PRESS 公司提供的GPIFDesigner 设计了GPIF 波形, 采用GPIF的FIFO 读工作模式。图2 是根据CCD 光谱仪工作逻辑确定的GPIF 波形描述符。

　　GPIF波形描述符具体过程如下: (1)将 0 状态作为 DP 判断点, 对RDY0 进行采样, 如果RDY0 为低则进入1 状态, 否则转入到Idle, (2) 在 1、2 状态, 利用 CTL0 上升沿给 IDT72V254 一个RCLK, 将数据转出到输出寄存器, (3) 在 3 状态, CTL1 和CTL2 为高, 允许IDT72V254 将数据输出到数据总线, 此时DataMode 为 Activate, GPIF 完成一次数据读取, (4) 将4 状态作为DP 判断点, 如果 TCXpire 为低则从 0 状态重复读取数据直到TCXpire 为高。

　　3 固件程序设计

　　3.1 批量传输方式的选择

　　USB2.0 定义了四种传输类型: 批量传输、控制传输、中断传输、同步传输, 分别对应不同的应用。理论上, 批量传输方式适用于大量的、且对传输时间和传输速度均无要求的数据, 在USB 总线带宽紧张时, 它会为其他传输方式让出自己所占用的帧/小帧时间, 从而导致本身被延迟, 但是当无其他设备分享USB 总线时, 该传输方式却最能体现 USB 高速传输的特点, 当数据包长度为 512 字节时, 其每微帧最大可完成 13 次传输, 数据传输速度将达到53.24MB/S, 在四种传输方式中, 最接近USB2.0 高速传输的极限速度60 MB/S。考虑到CCD 光谱仪工作时, USB 总线一般不会被其他设备占用, 所以本文选用了批量传输方式, 充分利用USB 总线带宽。