基于USB的LDT實(shí)時(shí)數據采集系統設計

　　激光多普勒測量技術(shù)（LDT）具有精度高、動(dòng)態(tài)響應快、測量范圍大，非接觸測量的特點(diǎn)，成為氣體、流體測量的強有力的工具。近年來(lái)，它在固體測量領(lǐng)域得到了長(cháng)足的發(fā)展，被廣泛應用于固體表面的粗糙度、運動(dòng)速度場(chǎng)、位移場(chǎng)、振動(dòng)場(chǎng)等的精密測量。它的迅猛發(fā)展對信號的采集提出了越來(lái)越高的要求：高動(dòng)態(tài)范圍、低功耗、便于攜帶、能與計算機進(jìn)行實(shí)時(shí)高速數據傳輸。針對這種要求，提出了一種基于USB的LDT實(shí)時(shí)數據采集系統。
　　USB（Universal Serial Bus）總線(xiàn)是由Intel，Com－paq，Microsoft，IBM，DEC，Northern Telecom等7家公司共同研制的一種針對PC的串行接口標準。它的熱插拔、即插即用、連接簡(jiǎn)單、高帶寬、可總線(xiàn)供電等優(yōu)點(diǎn)幾乎使其成為目前計算機外設的首選通信接口。
　　該文依據的是USB1．1協(xié)議規范，總線(xiàn)一共4根：5V電源線(xiàn)、地線(xiàn)及兩根以差分形式驅動(dòng)的數據線(xiàn)D＋、D－。連接設備的電纜最長(cháng)可達5 m，通過(guò)USB集線(xiàn)器以菊花鏈拓撲形式實(shí)現多達5級的拓撲連接，可外接127個(gè)USB設備。USB總線(xiàn)可以提供5V、500mA電流，并支持節約能源的掛機和喚醒模式。它規定的12Mbps傳輸速率，與一個(gè)標準的串行口相比，大約快出100倍，與一個(gè)標準并行口相比，大約快出10倍。
1　系統硬件設計
1．1　硬件總體結構
USB實(shí)時(shí)數據采集系統硬件如圖1-1所示。DSP控制器TMS320F240內部的模數轉換模塊包括兩個(gè)獨立的采樣／保持電路和兩個(gè)10位雙積分型的轉換器，16路模擬輸入通道，可同時(shí)轉換2路信號。

16路模擬輸入信號由多路模擬開(kāi)關(guān)選擇被檢測信號接入A／D轉換器，A／D轉換的結果經(jīng)TMS320F240寫(xiě)入FIFO存儲器。
　　TMS320F240通過(guò)信號線(xiàn)IS選通USBN9603，將其作為DSP的I／O口訪(fǎng)問(wèn)。USBN9603的D＋腳外接一個(gè)1．5K的上拉電阻，使其工作在全速方式下，USBN9603的MODE1、MODE2均接至地電位，設定USBN9603為非總線(xiàn)復用方式。操作時(shí)序是將地址線(xiàn)A0置高，將欲讀寫(xiě)的地址從數據線(xiàn)D0～D7寫(xiě)入，然后將A0置低，讀寫(xiě)D0～D7中的數據。
　　由DSP對A／D轉換的結果進(jìn)行FFT分析、小波分析等，并通過(guò)USBN9603與主機交換數據，接收控制命令。
1．2　USBN9603控制器
　　目前市場(chǎng)上有兩類(lèi)USB接口控制器：一類(lèi)是帶USB接口的MCU，如Cypress的CY7C6xxxx第列、Intel的930xx系列等，嵌入了8051系列微控制器。其系統結構和指令集大家都比較熟悉，便于硬件開(kāi)發(fā)和軟件編程，然而開(kāi)發(fā)工具較昂貴。另一類(lèi)是專(zhuān)用接口控制器，如朗訊公司的USS820、國家半導體公司的USBN960x、PHILIPS公司的PDIUSBD11等，都留有與MCU、DSP的接口，搭配靈活。
　　USBN9603是一個(gè)支持USB1．1協(xié)議的節點(diǎn)控制器。具有靜態(tài)模式和異步喚醒功能；5V／3．3V供電；具有一個(gè)雙向的控制節點(diǎn)Endpoint0、3個(gè)發(fā)送端點(diǎn)、3個(gè)接收端點(diǎn)；具有兩種模式的8位并行接口（復用模式和非復用模式）；改進(jìn)的DMA傳輸方式；串行接口引擎SIE，主要負責時(shí)鐘恢復、EOP檢測、位填充、位解填充、CRC編解碼、組幀、拆幀、包類(lèi)型識別及節點(diǎn)狀態(tài)識別等。

2系統軟件設計
　　USB系統軟件設計分為3個(gè)部分：USB外設端的固件、主機操作系統上的客戶(hù)驅動(dòng)程序以及應用程序。應用程序通過(guò)客戶(hù)驅動(dòng)程序與系統USBDI（USBDevice Interface）進(jìn)行通信，由系統產(chǎn)生數據的傳送動(dòng)作，固件則響應各種來(lái)自系統的標準要求，完成各種數據的交換工作和事件處理。
2．1　固件（firmware）設計
　　固件是指被固化到TMS320F240中的程序。它完成兩個(gè)任務(wù)：控制A／D的采樣和通過(guò)USB控制器與主機通信。USB有控制、中斷、批量、等時(shí)等4種數據傳輸模式。其中控制傳輸用于傳送一些系統控制命令，每個(gè)USB設備都必須有控制傳輸的通道；中斷傳輸適用于鼠標等人工輸入的設備使用；等時(shí)傳輸適用于對數據實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，如視頻、音頻數據，但其設備和進(jìn)程的同步設計有較大難度，且它不能提供錯誤檢查機制；批量傳輸能提供錯誤檢查機制，適用于打印機、調制解調器等不定期傳送大量數據的中速設備。
　　系統采用兩種傳輸方式：控制傳輸和批量傳輸?？刂苽鬏斢脕?lái)實(shí)現位于主機上的USB總線(xiàn)驅動(dòng)程序（USBD模塊）以及編寫(xiě)的功能驅動(dòng)程序對設備的各種控制操作；批量傳輸用來(lái)完成將采集數據從設備傳送到主機。