基于USB的嵌入式CCD圖像數據采集系統的實(shí)現

　　摘 要：以S3C44B0X為主控制器，將高頻模擬信號經(jīng)AD8321前置放大和增益調整后通過(guò)AD7829進(jìn)行模數轉換，完成CCD圖像數據采集，并通過(guò)USB2.0接口芯片ISP1581實(shí)現與PC機的快速數據傳輸。實(shí)現了CCD信號快速而準確的采集及實(shí)時(shí)處理。

　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統  CCD  USB  S3C44B0X  ISP1581

    　　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(diǎn)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(guò)點(diǎn)對點(diǎn)物理層接口(如RS-422、RS-485)進(jìn)行數據傳輸，高速數據采集卡接收到數據并通過(guò)PCI總線(xiàn)將數據寫(xiě)入計算機內存，然后利用采集卡的存儲功能將數據通過(guò)IDE接口寫(xiě)入計算機硬盤(pán)。這種方法雖然簡(jiǎn)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(zhù)傳輸通道的增多，引起傳輸導線(xiàn)數量增加，系統功耗及噪聲也隨之增大。通用串行總線(xiàn)USB能很好地解決這些問(wèn)題，具有連接方便、無(wú)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)加載驅動(dòng)程序，級聯(lián)星型拓撲結構擴充外設數量等特有優(yōu)點(diǎn)，在主機和數據采集系統之間可以實(shí)現簡(jiǎn)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(diǎn)。穩定性是指不僅要保證數據的無(wú)失真傳輸，而且要保證數據連續無(wú)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(pán)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(gè)通道，不同速率的CCD圖像數據采集，即要求系統能實(shí)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(jīng)多路開(kāi)關(guān)選通接入信號放大器，信號放大器能自動(dòng)調整增益的大小，對輸入的信號在A(yíng)/D轉換器的量程內進(jìn)行信號放大，然后由ARM芯片控制進(jìn)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(jìn)行數據處理，同時(shí)將PC機端的客戶(hù)應用程序發(fā)出的控制信號通過(guò)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(lèi)，一類(lèi)是集成了USB接口的單片機，如Cypress公司生產(chǎn)的EZ-USB（基于8051）系列芯片CY7C68013、CY7C64613等；另一類(lèi)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(jiǎn)單，但需要購置專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)系統，投資較大，并且單片機性能有限；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(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數據交換。本系統選擇了片上不帶CPU的性?xún)r(jià)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(kāi)發(fā)出高性能的USB2.0設備；同時(shí)為了滿(mǎn)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(chǎng)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(guò)A/D轉換的量程，所以必須根據信號的變化來(lái)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(méi)有采樣保持電路，因此需要對其進(jìn)行擴展。為了滿(mǎn)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(shí)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(jìn)行擴展，將AD7829的CONVST與S3C44B0X的PD1相連，用于產(chǎn)生轉換脈沖；AD7829的EOC與S3C44B0X的PD0相連，用于產(chǎn)生轉換結束信號。采集信號經(jīng)A/D轉換后，數據先存放在S3C44B0X的寄存器里， S3C44B0X先發(fā)控制信號再發(fā)數據給ISP1581，在此將ISP1581的緩沖區定義為8個(gè)，分別寫(xiě)入8路轉換后的數據。而PC機通過(guò)USB接口與ISP1581連接，ISP1581負責分類(lèi)和解釋PC機發(fā)來(lái)的信號，具體操作流程如下：PC機發(fā)送給USB設備的數據以包的形式寫(xiě)入ISP1581的緩存中，當緩存被寫(xiě)滿(mǎn)或數據發(fā)送完畢后，ISP1581就給ARM發(fā)中斷信號，ARM響應中斷信號進(jìn)入中斷服務(wù)程序執行相應的包處理。另一方面，USB設備不能主動(dòng)向主機發(fā)送數據，只有當PC機要求USB設備發(fā)送數據時(shí)，ARM才將主機需要的數據寫(xiě)入ISP1581相應端點(diǎn)的緩存中。

2 軟件設計

2.1 數據采集部分
　　數據采集是由S3C44B0X的PD口發(fā)出脈沖作為AD7829的轉換脈沖CONVST，當AD7829轉換結束時(shí)，EOC輸出有效低電平，S3C44B0X接到有效電平后，發(fā)下一路地址，然后讀數據。當AD7829的和信號有效時(shí)，在數據讀入S3C44B0X的數據緩沖區的同時(shí)將下一路的地址打入，這樣循環(huán)采集8路模擬輸入，直到數據采集結束，本過(guò)程的流程圖如圖3所示。

2.2 USB部分軟件設計
　　USB系統軟件由固件程序、USB系統驅動(dòng)程序和應用程序三部分構成。

2.2.1 固件程序的開(kāi)發(fā)
　　固件程序實(shí)際上是置于微控制器內部的程序文件，用來(lái)輔助硬件完成通信任務(wù)。通過(guò)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(fā)送數據成功時(shí)就會(huì )產(chǎn)生中斷，固件程序的任務(wù)就是對這些中斷進(jìn)行響應，完成設備的配置，讓USB驅動(dòng)程序知道設備的能力，接收USB主控制器發(fā)來(lái)的數據和向主機發(fā)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(jìn)行編寫(xiě)。SP1581的固件程序采用模塊化設計，包括主循環(huán)程序、中斷服務(wù)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(jiàn)圖4。

2.2.2 應用程序

    應用程序包括Win32DLL程序和用戶(hù)應用程序。Win32動(dòng)態(tài)連接庫包含共享函數庫的二進(jìn)制文件，可以被多個(gè)應用程序同時(shí)使用?？蛻?hù)應用程序則是實(shí)現數據采集系統功能的軟件程序，在本系統中采用Visual C++進(jìn)行編寫(xiě)。

2.2.3 USB系統驅動(dòng)程序

　　USB系統驅動(dòng)程序采用分層結構模型(WDM)，該模型定義了分層的驅動(dòng)程序， USB設備驅動(dòng)程序不直接與硬件對話(huà)，而是通過(guò)USB驅動(dòng)程序接口將USB請求塊提交到總線(xiàn)驅動(dòng)程序進(jìn)而完成硬件操作。從系統的角度來(lái)說(shuō)，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(chǎng)商ID和產(chǎn)品ID等，啟用相應USB設備驅動(dòng)程序，讀取USB設備中的配置描述符、接口描述符和端點(diǎn)描述符，根據需要選擇恰當的配置、接口和端點(diǎn)，確定傳輸方式。這一過(guò)程完成后，PC機與USB設備之間就能夠進(jìn)行數據傳輸了。
    USB總線(xiàn)的特點(diǎn)使其非常適合用作小型儀器與主機之間的通訊接口，實(shí)現主機與便攜式儀器之間的簡(jiǎn)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A(yíng)RM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(kāi)發(fā)方案，設計開(kāi)發(fā)過(guò)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(guò)實(shí)驗測試，效果良好。

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