基于USB的嵌入式CCD圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

    CCD圖像數(shù)據(jù)的采集與普通視頻信號(hào)的采集相比，其最大的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸通道多。目前，通用的CCD圖像數(shù)據(jù)采集方法是在計(jì)算機(jī)中插入高速數(shù)據(jù)采集卡，采集卡與CCD相機(jī)間通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)物理層接口(如RS-422、RS-485)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，高速數(shù)據(jù)采集卡接收到數(shù)據(jù)并通過PCI總線將數(shù)據(jù)寫入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，然后利用采集卡的存儲(chǔ)功能將數(shù)據(jù)通過IDE接口寫入計(jì)算機(jī)硬盤。這種方法雖然簡單可靠，但對(duì)多通道、高速圖像數(shù)據(jù)的采集在數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)方面有一定的局限，容易引起數(shù)據(jù)幀的丟失，并且隨著傳輸通道的增多，引起傳輸導(dǎo)線數(shù)量增加，系統(tǒng)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(dòng)態(tài)加載驅(qū)動(dòng)程序，級(jí)聯(lián)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)充外設(shè)數(shù)量等特有優(yōu)點(diǎn)，在主機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)簡單、快捷、雙向、可靠的連接和通訊。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具有穩(wěn)定性、靈活性、通用性等特點(diǎn)。穩(wěn)定性是指不僅要保證數(shù)據(jù)的無失真?zhèn)鬏敚乙ＷC數(shù)據(jù)連續(xù)無丟幀存儲(chǔ)。靈活性體現(xiàn)在系統(tǒng)的信號(hào)輸入路數(shù)、系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量、磁盤連接方式等具有模塊化與可重組性，系統(tǒng)稍做變通即可用于其他高速視頻圖像的采集。通用性體現(xiàn)在系統(tǒng)能適應(yīng)于多個(gè)通道，不同速率的CCD圖像數(shù)據(jù)采集，即要求系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)通道合并，并有較寬的數(shù)據(jù)傳輸頻帶。

　　USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　

　　傳感器輸出的模擬信號(hào)，經(jīng)多路開關(guān)選通接入信號(hào)放大器，信號(hào)放大器能自動(dòng)調(diào)整增益的大小，對(duì)輸入的信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換器的量程內(nèi)進(jìn)行信號(hào)放大，然后由ARM芯片控制進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入嵌入式微控制器，由USB接口電路傳遞給PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)將PC機(jī)端的客戶應(yīng)用程序發(fā)出的控制信號(hào)通過USB接口傳送到以ARM芯片為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　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(jī)，如Cypress公司生產(chǎn)的EZ-USB（基于8051）系列芯片CY7C68013、CY7C64613等；另一類是單獨(dú)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(fā)系統(tǒng)，投資較大，并且單片機(jī)性能有限；后者的特點(diǎn)是價(jià)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(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)選擇了片上不帶CPU的性價(jià)比較高的USB2.0控制芯片ISP1581，它完全符合USB 2.0規(guī)范，速度可達(dá)480Mbps。采用ISP1581可以快速開發(fā)出高性能的USB2.0設(shè)備；同時(shí)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(hào)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇

　　在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)是變化范圍較大的高頻模擬信號(hào)，如果采用單一的增益放大，則放大后的信號(hào)幅值有可能超過A/D轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號(hào)的變化來相應(yīng)地調(diào)整放大器的增益。本系統(tǒng)選用了AD8321這種頻帶寬、噪聲低、增益可數(shù)控，且十分適合在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作前置放大用的高頻模擬信號(hào)調(diào)理芯片。高頻模擬信號(hào)放大后被送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，S3C44B0X自身雖集成有8路10位ADC，但其內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換只能輸入0～100Hz的模擬信號(hào)，且沒有采樣保持電路，因此需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。為了滿足8路采集，選擇了高速A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7829，最大轉(zhuǎn)換速率2MSPS，轉(zhuǎn)換時(shí)間為420ns。

　　1.2 硬件接口電路

　　本系統(tǒng)硬件接口電路連接如圖2所示。

　　

　　本系統(tǒng)利用S3C44B0X的PD口為雙向口進(jìn)行擴(kuò)展，將AD7829的CONVST與S3C44B0X的PD1相連，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換脈沖；AD7829的EOC與S3C44B0X的PD0相連，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。采集信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)先存放在S3C44B0X的寄存器里， S3C44B0X先發(fā)控制信號(hào)再發(fā)數(shù)據(jù)給ISP1581，在此將ISP1581的緩沖區(qū)定義為8個(gè)，分別寫入8路轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。而PC機(jī)通過USB接口與ISP1581連接，ISP1581負(fù)責(zé)分類和解釋PC機(jī)發(fā)來的信號(hào)，具體操作流程如下：PC機(jī)發(fā)送給USB設(shè)備的數(shù)據(jù)以包的形式寫入ISP1581的緩存中，當(dāng)緩存被寫滿或數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，ISP1581就給ARM發(fā)中斷信號(hào)，ARM響應(yīng)中斷信號(hào)進(jìn)入中斷服務(wù)程序執(zhí)行相應(yīng)的包處理。另一方面，USB設(shè)備不能主動(dòng)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，只有當(dāng)PC機(jī)要求USB設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，ARM才將主機(jī)需要的數(shù)據(jù)寫入ISP1581相應(yīng)端點(diǎn)的緩存中。

　　數(shù)據(jù)采集是由S3C44B0X的PD口發(fā)出脈沖作為AD7829的轉(zhuǎn)換脈沖CONVST，當(dāng)AD7829轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC輸出有效低電平，S3C44B0X接到有效電平后，發(fā)下一路地址，然后讀數(shù)據(jù)。當(dāng)AD7829的和信號(hào)有效時(shí)，在數(shù)據(jù)讀入S3C44B0X的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的同時(shí)將下一路的地址打入，這樣循環(huán)采集8路模擬輸入，直到數(shù)據(jù)采集結(jié)束，本過程的流程圖如圖3所示。

　　

　　2.2 USB部分軟件設(shè)計(jì)

　　USB系統(tǒng)軟件由固件程序、USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序三部分構(gòu)成。

　　2.2.1 固件程序的開發(fā)

　　固件程序?qū)嶋H上是置于微控制器內(nèi)部的程序文件，用來輔助硬件完成通信任務(wù)。通過ISP1581的INT中斷信號(hào)與微控制器S3C44B0X的EINT0中斷口相連，當(dāng)接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)成功時(shí)就會(huì)產(chǎn)生中斷，固件程序的任務(wù)就是對(duì)這些中斷進(jìn)行響應(yīng)，完成設(shè)備的配置，讓USB驅(qū)動(dòng)程序知道設(shè)備的能力，接收USB主控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)和向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)備固件程序是設(shè)備運(yùn)行的核心，本系統(tǒng)采用Keil C進(jìn)行編寫。SP1581的固件程序采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主循環(huán)程序、中斷服務(wù)程序、USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理和批量數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求處理四部分。固件模塊結(jié)構(gòu)見圖4。

　　

　　2.2.2 應(yīng)用程序

　　應(yīng)用程序包括Win32DLL程序和用戶應(yīng)用程序。Win32動(dòng)態(tài)連接庫包含共享函數(shù)庫的二進(jìn)制文件，可以被多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)使用?？蛻魬?yīng)用程序則是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的軟件程序，在本系統(tǒng)中采用Visual C++進(jìn)行編寫。

　　2.2.3 USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序

　　USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序采用分層結(jié)構(gòu)模型(WDM)，該模型定義了分層的驅(qū)動(dòng)程序， USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不直接與硬件對(duì)話，而是通過USB驅(qū)動(dòng)程序接口將USB請(qǐng)求塊提交到總線驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)而完成硬件操作。從系統(tǒng)的角度來說，在USB設(shè)備插入主機(jī)后，主機(jī)檢測(cè)到USB設(shè)備，讀取設(shè)備描述符，然后主機(jī)根據(jù)設(shè)備描述符中提供的廠商ID和產(chǎn)品ID等，啟用相應(yīng)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，讀取USB設(shè)備中的配置描述符、接口描述符和端點(diǎn)描述符，根據(jù)需要選擇恰當(dāng)?shù)呐渲?、接口和端點(diǎn)，確定傳輸方式。這一過程完成后，PC機(jī)與USB設(shè)備之間就能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。

　　USB總線的特點(diǎn)使其非常適合用作小型儀器與主機(jī)之間的通訊接口，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與便攜式儀器之間的簡單、快速和可靠的連接。將USB接口應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本文詳?xì)介紹了基于ARM芯片S3C44B0X和USB2.0接口控制芯片ISP1581的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)方案，設(shè)計(jì)開發(fā)過程較為繁雜，涉及到多方面的軟件程序與硬件電路的聯(lián)合使用，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，效果良好。

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