基于USB的数字扫频仪测控接口设计

  在电子测量中，经常需要对网络的传输特性和阻抗特性进行测量，用于测量传输特性的仪器被称为频率特性测试仪，简称扫频仪。过去，数字扫频仪的主要接口总线是PCI、RS232和并行总线等。这些接口总线均只支持一种模式，而发展趋势是支持主从两种模式。且其还存在不支持热插拔、难以扩展的缺点，给扫频仪的使用带来不便。USB接口总线的出现解决了这些问题。

1 扫频仪测控接口设计基础

1.1 数字扫频仪的测控原理

测控系统的组成如图1示。测量设备的主要作用是向主控制器输入数据。执行单元是接收主控器的控制信号、输出动作以及完成控制目的。接口是主控器和测量设备及执行单元的通道，人机界面是系统和用户进行信息交换的媒介。

1.2 USB2.0接口技术

一个USB2.0系统主要由3部分构成：USB主机、USB连接和USB设备。对于开发人员来说这种USB系统被分为3个逻辑层，即功能层、USB设备层和USB总线接口层。每层均由主机和USB设备的不同功能模块组成。

1.3 扫频仪与计算机的连接

为实现数字扫频仪的智能化和网络化，在数字扫频仪的基础上进行了USB测控接口的设计。该设计主要增添了两个功能：一个是计算机控制扫频仪，实现扫频仪测量结果的在线分析、显示和存储;另一个是扫频仪读写U盘，将测量数据以及测量的频率信息以文件的形式存储到U盘中并可以调用U盘中的数据。USB系统包含USB主机，USB设备和USB连接3部分。当计算机控制数字扫频仪时，由扫频仪、USB主控芯片CH376及计算机组成一个USB系统，此时计算机为USB主机，扫频仪为USB设备。当扫频仪读写U盘时，由扫频仪、USB主控芯片CH376以及U盘组成一个USB系统，此时扫频仪为主机，U盘为USB设备。

2 硬件电路设计

2.1 扫频仪测控接口设计

设计是在原有数字扫频仪的基础上，通过扫频仪的微处理器ADSP-BF532内置的SPORT1口与USB控制芯片进行通信。通过USB控制芯片将扫频仪设置成主机模式时，将U盘作为设备，可实现扫频仪主控U盘;USB控制芯片将扫频仪设置成从模式时，则计算机作为主控设备，可实现计算机控制扫频仪，整体电路设计如图2所示。

2.2 处理器模块设计

Blackfin532有两个相同的高速串口SPORT0和SPORT1，这两个串口支持各种串行数据通信协议。SPORT口包含接收和发送寄存器。发送数据时，从内部寄存器写到SPORT口的存储器映射寄存器SPORTx_TX中。根据选择，此数据可由硬件进行压扩后自动传送到移位寄存器，移位寄存器的位从SPORT口的DT引脚移出，最高位在前或最低位在前均可。接收数据时，SPORT的接收部分从DR接收数据，接收一个完整的字后，数据展开并自动传送到SPORT的存储器映射寄存器SPORTx_TX中。该寄存器可被处理器访问，发送和接收时都要有同步时钟。

BF532的时钟可分为两种：一个是系统时钟;另一个是实时时钟。系统时钟经内部PLL倍频后为DSP提供核时钟和片上外设时钟。BF532和CH376的传输过程中需要的时钟信号就是由DSP的系统时钟进行分频得到的，最大能达到系统时钟的1/2。该时钟电路内部集成高增益反相，所以只要外接一个无源晶振，系统时钟选用27 MHz无源晶振，并联谐振电容到地即可。实时时钟通过外接一个32.768 kHz的时钟源，经过内部分频后，可产生秒信号时钟。

ADSP—BF532需外接一片Flash作为它的程序存储器。ADSP—BF532的异步程序存储控制器可达4MB寻址空间。可以通过使用AMS信号进行分页操作，一共可分为4页，每页1MB。根据DSP手册给出的程序存储器时序以及Flash手册提供的读写时序，将DSP的AMSO、AWE、AOE信号以及数据和地址总线分别连接到Flash的WE#、CE#、OE#以及数据和地址总线，即可满足Flash的读写。

2.3 USB主控模块设计

CH376是文件系统管理芯片，其支持USB主机模式和USB设备模式，即可配置成主模式和从模式。主模式时，数字合成扫频仪成为主机，U盘为USB设备，可实现扫频仪读写U盘的功能。从模式的时候计算机为主机，数字扫频仪为USB设备，可以实现计算机主控扫频仪的功能。

设计CH376的外围电路，首先需将CH376配置成SPI串行通行方式，必须将RD#和WR#接GND，并将其余不用的引脚悬空。电容C4用于内部电源节点退耦，从而降低USB传输过程中的EMI;晶体X1是振荡电路，用于向CH376提供系统时钟信号，该晶振要求是12 MHz;P50A是USB端口;电阻R20用于限制输出给外部USB设备的电流;C50主要用于减少在USB设备刚插入时的电源电压纹波;ACT#连接的LED灯可起到指示作用。

图4给出了CH376和BF532的具体连接电路。CH376在SPI模式下有6根信号线需要进行连接，分别是SDO、SDI、SCK、SCS、中断ACT#和复位RST1。

3 测控分析软件设计

软件设计主要包含扫频仪读写U盘软件设计和计算机主控扫频仪软件设计两部分。通常，微处理器主控U盘的软件模型如图5所示。设计应包括图5中左半部分的4个层次结构和测控软件设计，由于USB芯片CH376设计完善，功能强大，其不仅有一个通用USB—HOST接口芯片，且内置了相关的底层传输、FAT文件系统管理等固件，所以只需编写应用层的APT函数和测控软件。API函数的设计主要编写的是读写U盘的基本函数，实现扫频仪和U盘的通信;测控软件设计主要编写扫频仪对U盘的具体控制函数，实现扫频仪对U盘的控制。

计算机主控扫频仪的软件设计分为4部分：ADSP—BF532的本地程序;设备驱动程序，设备驱动程序是提供硬件连接到计算机上的软件接口，CH376的厂商提供了驱动程序;计算机上运行的数字扫频仪的测控软件程序;驱动程序和测控程序之间通讯必须使用的动态连接库，即DLL。软件开发模型如图6所示。

BF532的本地程序设计、驱动程序设计、API和DLL的设计是扫频仪的通道设计，可实现计算机和扫频仪数据交换;BF532的本地程序设计和测控程序设计是测控分析设计，实现计算机和扫频仪之间的控制、解析和处理功能。数字扫频仪测控接口软件设计流程如图7所示。

4 系统功能测试

本文基于USB的扫频仪测控接口设计主要可实现两个功能：一是扫频仪读写U盘，将扫频仪测量的幅频特性和相频特性数据以文件的形式写入U盘，同时扫频仪也可以将U盘中文件数据读入到扫频仪;二是计算机主控扫频仪。

首先选择被测网络，该被测网络是一个带通网络。然后设置扫频仪的频率参数，中心频率设置为10.7 MHz，带宽设置为100 kHz。扫频仪将测量到的该网络的幅频特性曲线和相频特性曲线显示在LCD屏上，如图8所示。

4.1 U盘测试

按下扫频仪的接口设置菜单中的U盘选项，如图8所示。进入读写U盘的下级菜单，在下级菜单中按下写U盘的按键，便可将数据以文件的形式写入U盘。经测试，成功创建swe ep.dat文件，并写入了包含幅频信息和相频信息的数据。由于dat文件可在上位机上调用，并绘制幅频和相频的曲线，其显示出来的曲线如图9所示，与扫频仪LCD屏上显示的曲线相同，实现了扫频仪和U盘的通信。

4.2 上位机的测试

将扫频仪通过USB线接到电脑上，然后按下扫频仪接口菜单的USB按键，此时可以实现计算机主控扫频仪。打开上位机软件，按下开始连接按钮，并通过上位机设置扫频仪的中心频率为10.7 MHz，带宽为100 kHz。然后按下接收数据按钮，接收数据，然后变换参数，设置中心频率为10.75 MHz，带宽为200 MHz，两次接收数据结果如图10所示。

由图10可知，用户通过上位机软件设置不同的频率参数后，接收到的曲线不同，将图10和图8进行对比，表明两次接收到的数据是正确的。说明扫频仪响应了计算机给其发出的命令，计算机也接收到了扫频发来的数据，实现了计算机主控扫频仪的功能。