статья: Модуль Е-440 – АЦП/ЦАП на шину USB 2001 г.

Антон Арефьев

Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно - версия первого утвержденного варианта стандарта была опубликована 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициирована весьма авторитетными фирмами , в числе которых были - Intel, IBM и Compaq.

Первое и главное преимущество шины USB состоит в поддержке "горячего" подключения и отключения периферийных устройств. Это означает, что пользователи могут подсоединить к компьютеру новое устройство и начать с ним работать, не выключая и не перезагружая систему. При подключении нового устройства, системное программное обеспечение определяет его тип, возможности и правильно конфигурирует его для совместной работы с другими устройствами. Кроме того, операционная система компьютера самостоятельно загружает соответствующий устройству программный драйвер, так что приложения пользователя могут немедленно начать работать с новой периферией.

Такой режим реального Plug&Play особенно удобен при работе с notebook, работающим с внешней периферией.

Второе преимущество: питание маломощных устройств можно подавать с самой шины.

Третье преимущество: решилась традиционная проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера - контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

При всем при этом скорость шины оказалась достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств.

Сейчас шина USB стала активно внедряться производителями компьютерной периферии. Например, в компьютере iMAC присутствует только шина USB в качестве внешней шины.

• Высокая скорость обмена (full-speed) - 12 Mb/s;
• Низкая скорость обмена (low-speed ) - 1.5 Mb/s;
• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 м ( при этом кабель представляет собой экранированную витую пару и два провода питания - т.е. всего 4 провода);
• Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители, т.н. хабы) – 127;
• Напряжение питания для периферийных устройств - 5 В;
• Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA.

Модуль E-440 является современным универсальным устройством на базе шины USB (rev.1.1) для ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в персональных IBM PC совместимых компьютерах. Данный модуль можно рассматривать как законченную систему для многоканального сбора информации с собственным процессором, позволяющую искушенному пользователю реализовать свои собственные алгоритмы обработки сигналов.

Е-440 является продолжением линейки внешних модулей АЦП/ЦАП, выпускаемых нашей фирмой, таких как Е-24 на СОМ порт и Е-330 на принтерный порт. По своей идеологии он ближе к Е-330, поскольку на нем также установлен Цифровой Сигнальный процессор (DSP), но имеет одно очень важное преимущество: в отличие от Е-330, модуль Е-440 может одновременно считывать данные с АЦП и передавать данные на ЦАП (шина USB - дуплексная).

Аналоговая часть модуля идентична ISA-плате L-1450 и РСI-плате L-780.

Итак, модуль Е-440 обладает следующими основными характеристиками:

В модуле установлен сигнальный процессор ADSP-2185М фирмы Analog Devices с тактовой частотой 48 МГц. Применение цифрового сигнального процессора позволяет разгрузить центральный процессор компьютера от управления вводом/выводом и первичной обработки сигналов.

Программно осуществляется выбор диапазонов измерения, частоты дискретизации и конфигурация входов АЦП как дифференциальных / с общей "землей".

Всего реализовано четыре диапазона измерения - с усилением 1, 4, 16 и 64, причем диапазон и конфигурацию входов можно задавать для каждого канала отдельно.

На модуле также имеются по 16 ТТЛ входов и выходов. Установлено пользовательское ПЗУ.

Цифровой сигнальный процессор управляет АЦП (принимает данные по 16-битной шине), пользовательским ПЗУ, цифровыми линиями и через последовательный порт - ЦАПом. Также процессор задает коэффициент усиления программируемого усилителя и управляет входными коммутаторами.

С разъемов на процессор заведены два дополнительных внешних прерывания, которые могут использоваться например для синхронизации.

Аналоговый тракт состоит из входных коммутаторов и усилителя с программируемым коэффициентом усиления.

Вся цифровая логика схемы реализована на ПЛИС фирмы Altera.

В качестве контроллера шины USB используется микросхема D12 фирмы Филипс, которая достаточно проста в подключении и может передавать по шине USB данные со скоростью до 1 Мб/с. При частоте сбора 400 кГц нам необходимо передавать 800 кБ/с, т.к. данные с АЦП 14 битные, и на каждый отсчет необходимо 2 байта.

В ходе разработки изделия было сделано две версии модуля Е-440. Первая версия работала следующим образом. При подключении модуля к шине USB, т. е. при подаче питания, микроконтроллер AVR фирмы Atmel управляя контроллером шины, получал из центрального компьютера код программы для Сигнального процессора (BIOS), загружал этот код в память программ DSP, запускал процессор и отключался от шины. Дальше сигнальный процессор сам управлял контроллером USB и осуществлял обмен данными с компьютером.

Во второй версии модуля было сделано существенное усовершенствование. Теперь Сигнальный процессор не подключен к контроллеру USB и вообще “не подозревает” о существовании шины USB. Микроконтроллер AVR имеет доступ к внутренней памяти процессора через канал IDMA. Через этот канал он загружает BIOS в процессор и может как выкачивать данные, полученные процессором от АЦП, так и подкладывать данные для ЦАП по мере необходимости. Теперь только AVR управляет передачей данных в плату и из платы по шине USB и он же имеет доступ к любой ячейки памяти DSP.

Таким образом, основное преимущество окончательного варианта модуля состоит в том, что цифровому сигнальному процессору не нужно реализовывать довольно сложный алгоритм управления шиной USB и не нужно отвлекаться на обмен данными. DSP как бы представляет собой двухпортовую память, к которой компьютер имеет прямой доступ через шину USB. Теперь ресурсы DSP полностью освобождены и отданы в распоряжение пользователя.