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CCD圖像數據的采集與普通視頻信號的采集相比，其最大的特點是數據傳輸速率高，傳輸通道多。目前，通用的CCD圖像數據采集方法是在計算機中插入高速數據采集卡，采集卡與CCD相機間通過點對點物理層接口(如RS-422、RS-485)進行數據傳輸，高速數據采集卡接收到數據并通過PCI總線將數據寫入計算機內存，然后利用采集卡的存儲功能將數據通過IDE接口寫入計算機硬盤。這種方法雖然簡單可靠，但對多通道、高速圖像數據的采集在數據傳輸和存儲方面有一定的局限，容易引起數據幀的丟失，并且隨著傳輸通道的增多，引起傳輸導線數量增加，系統功耗及噪聲也隨之增大。通用串行總線USB能很好地解決這些問題，具有連接方便、無需外接電源、即插即用、支持熱插拔、高帶寬、低功耗、低成本、動態加載驅動程序，級聯星型拓撲結構擴充外設數量等特有優點，在主機和數據采集系統之間可以實現簡單、快捷、雙向、可靠的連接和通訊。 1 硬件設計 系統設計應具有穩定性、靈活性、通用性等特點。穩定性是指不僅要保證數據的無失真傳輸，而且要保證數據連續無丟幀存儲。靈活性體現在系統的信號輸入路數、系統的存儲容量、磁盤連接方式等具有模塊化與可重組性，系統稍做變通即可用于其他高速視頻圖像的采集。通用性體現在系統能適應于多個通道，不同速率的CCD圖像數據采集，即要求系統能實現通道合并，并有較寬的數據傳輸頻帶。 USB數據采集系統硬件結構圖如圖1所示。 傳感器輸出的模擬信號，經多路開關選通接入信號放大器，信號放大器能自動調整增益的大小，對輸入的信號在A/D轉換器的量程內進行信號放大，然后由ARM芯片控制進行A/D轉換，再將轉換后的數字信號送入嵌入式微控制器，由USB接口電路傳遞給PC機進行數據處理，同時將PC機端的客戶應用程序發出的控制信號通過USB接口傳送到以ARM芯片為核心的數據采集系統。 1.1 方案選擇 1.1.1 USB接口芯片和主控制器芯片的選擇 USB控制器有兩類，一類是集成了USB接口的單片機，如Cypress公司生產的EZ-USB（基于8051）系列芯片CY7C68013、CY7C64613等；另一類是單獨的USB控制器，如Philips公司的PDIUSBD12、ISP1581，NetChip公司的NET2888，National公司的USBN9603、USBN9604等。前種芯片雖然編程簡單，但需要購置專門的開發系統，投資較大，并且單片機性能有限；后者的特點是價格低廉、連接方便、可靠性高，但其片上不帶CPU，必須選擇微處理器來進行協議處理和數據交換。本系統選擇了片上不帶CPU的性價比較高的USB2.0控制芯片ISP1581，它完全符合USB 2.0規范，速度可達480Mbps。采用ISP1581可以快速開發出高性能的USB2.0設備；同時為了滿足速度要求，主控器芯片選擇了高性能、低功耗的ARM芯片S3C44B0X。 1.1.2 信號放大電路和A/D轉換芯片的選擇 在高速數據采集系統中，現場輸入信號是變化范圍較大的高頻模擬信號，如果采用單一的增益放大，則放大后的信號幅值有可能超過A/D轉換的量程，所以必須根據信號的變化來相應地調整放大器的增益。本系統選用了AD8321這種頻帶寬、噪聲低、增益可數控，且十分適合在數據采集系統作前置放大用的高頻模擬信號調理芯片。高頻模擬信號放大后被送到模數轉換器中，S3C44B0X自身雖集成有8路10位ADC，但其內部集成的A/D轉換只能輸入0～100Hz的模擬信號，且沒有采樣保持電路，因此需要對其進行擴展。為了滿足8路采集，選擇了高速A/D轉換芯片AD7829，最大轉換速率2MSPS，轉換時間為420ns。 1.2 硬件接口電路 本系統硬件接口電路連接如圖2所示。 本系統利用S3C44B0X的PD口為雙向口進行擴展，將AD7829的CONVST與S3C44B0X的PD1相連，用于產生轉換脈沖；AD7829的EOC與S3C44B0X的PD0相連，用于產生轉換結束信號。采集信號經A/D轉換后，數據先存放在S3C44B0X的寄存器里， S3C44B0X先發控制信號再發數據給ISP1581，在此將ISP1581的緩沖區定義為8個，分別寫入8路轉換后的數據。而PC機通過USB接口與ISP1581連接，ISP1581負責分類和解釋PC機發來的信號，具體操作流程如下：PC機發送給USB設備的數據以包的形式寫入ISP1581的緩存中，當緩存被寫滿或數據發送完畢后，ISP1581就給ARM發中斷信號，ARM響應中斷信號進入中斷服務程序執行相應的包處理。另一方面，USB設備不能主動向主機發送數據，只有當PC機要求USB設備發送數據時，ARM才將主機需要的數據寫入ISP1581相應端點的緩存中。 數據采集是由S3C44B0X的PD口發出脈沖作為AD7829的轉換脈沖CONVST，當AD7829轉換結束時，EOC輸出有效低電平，S3C44B0X接到有效電平后，發下一路地址，然后讀數據。當AD7829的和信號有效時，在數據讀入S3C44B0X的數據緩沖區的同時將下一路的地址打入，這樣循環采集8路模擬輸入，直到數據采集結束，本過程的流程圖如圖3所示。 2 USB部分軟件設計 USB系統軟件由固件程序、USB系統驅動程序和應用程序三部分構成。 2.1 固件程序的開發 固件程序實際上是置于微控制器內部的程序文件，用來輔助硬件完成通信任務。通過ISP1581的INT中斷信號與微控制器S3C44B0X的EINT0中斷口相連，當接收數據或發送數據成功時就會產生中斷，固件程序的任務就是對這些中斷進行響應，完成設備的配置，讓USB驅動程序知道設備的能力，接收USB主控制器發來的數據和向主機發送數據。設備固件程序是設備運行的核心，本系統采用Keil C進行編寫。SP1581的固件程序采用模塊化設計，包括主循環程序、中斷服務程序、USB標準請求處理和批量數據傳送請求處理四部分。固件模塊結構見圖4。 2.2 應用程序 應用程序包括Win32DLL程序和用戶應用程序。Win32動態連接庫包含共享函數庫的二進制文件，可以被多個應用程序同時使用。客戶應用程序則是實現數據采集系統功能的軟件程序，在本系統中采用Visual C++進行編寫。 2.3 USB系統驅動程序 USB系統驅動程序采用分層結構模型(WDM)，該模型定義了分層的驅動程序， USB設備驅動程序不直接與硬件對話，而是通過USB驅動程序接口將USB請求塊提交到總線驅動程序進而完成硬件操作。從系統的角度來說，在USB設備插入主機后，主機檢測到USB設備，讀取設備描述符，然后主機根據設備描述符中提供的廠商ID和產品ID等，啟用相應USB設備驅動程序，讀取USB設備中的配置描述符、接口描述符和端點描述符，根據需要選擇恰當的配置、接口和端點，確定傳輸方式。這一過程完成后，PC機與USB設備之間就能夠進行數據傳輸了。 USB總線的特點使其非常適合用作小型儀器與主機之間的通訊接口，實現主機與便攜式儀器之間的簡單、快速和可靠的連接。將USB接口應用到數據采集系統中，提高了數據采集系統的速度，增強了系統的抗干擾能力和數據傳輸的可靠性。本文詳細介紹了基于ARM芯片S3C44B0X和USB2.0接口控制芯片ISP1581的數據采集系統的軟硬件設計開發方案，設計開發過程較為繁雜，涉及到多方面的軟件程序與硬件電路的聯合使用，通過實驗測試，效果良好。 |
