基于USB的嵌入式CCD图像数据收集系统的实现.docx

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1、基于USB的嵌入式CCD图像数据收集系统的实现基于USB的嵌入式CCD图像数据收集系统的实现yangliu导语：以S3C44B0X为主控制器，将高频模拟信号经AD8321前置放大和增益调整后通过AD7829进展模数转换CCD图像数据的收集与普通视频信号的收集相比，其最大的特点是数据传输速率高，传输通道多。目前，通用的CCD图像数据收集方法是在计算机中插入高速数据收集卡，收集卡与CCD相机间通过点对点物理层接口如RS-422、RS-485进展数据传输，高速数据收集卡接收到数据并通过PCI总线将数据写入计算机内存，然后利用收集卡的存储功能将数据通过IDE接口写入计算机硬盘。这种方法固然简单可靠，但

2、对多通道、高速图像数据的收集在数据传输和存储方面有一定的局限，容易引起数据帧的丧失，并且随着传输通道的增多，引起传输导线数量增加，系统功耗及噪声也随之增大。通用串行总线USB能很好地解决这些问题，具有连接方便、无需外接电源、即插即用、支持热插拔、高带宽、低功耗、低本钱、动态加载驱动程序，级联星型拓扑构造扩大外设数量等特有优点，在主机和数据收集系统之间可以实现简单、快捷、双向、可靠的连接和通讯。1硬件设计系统设计应具有稳定性、灵敏性、通用性等特点。稳定性是指不仅要保证数据的无失真传输，而且要保证数据连续无丢帧存储。灵敏性表达在系统的信号输入路数、系统的存储容量、磁盘连接方式等具有模块化与可重组性

3、，系统稍做变通即可用于其他高速视频图像的收集。通用性表达在系统能适应于多个通道，不同速率的CCD图像数据收集，即要求系统能实现通道合并，并有较宽的数据传输频带。USB数据收集系统硬件构造图如图1所示。传感器输出的模拟信号，经多路开关选通接入信号放大器，信号放大器能自动调整增益的大小，对输入的信号在A/D转换器的量程内进展信号放大，然后由ARM芯片控制进展A/D转换，再将转换后的数字信号送入嵌入式微控制器，由USB接口电路传递给PC机进展数据处理，同时将PC机端的客户应用程序发出的控制信号通过USB接口传送到以ARM芯片为核心的数据收集系统。1.1方案选择1.1.1USB接口芯片和主控制器芯片的

4、选择USB控制器有两类，一类是集成了USB接口的单片机，如Cypress公司消费的EZ-USB基于8051系列芯片CY7C68013、CY7C64613等；另一类是单独的USB控制器，如Philips公司的PDIUSBD12、ISP1581，NetChip公司的NET2888，National公司的USBN9603、USBN9604等。前种芯片固然编程简单，但需要购置专门的开发系统，投资较大，并且单片机性能有限；后者的特点是价格低廉、连接方便、可靠性高，但其片上不带CPU，必须选择微处理器来进展协议处理和数据交换。本系统选择了片上不带CPU的性价比拟高的USB2.0控制芯片ISP1581，它完

5、全符合USB2.0标准，速度可达480Mbps。采用ISP1581可以快速开发出高性能的USB2.0设备；同时为了知足速度要求，主控器芯片选择了高性能、低功耗的ARM芯片S3C44B0X。1.1.2信号放大电路和A/D转换芯片的选择在高速数据收集系统中，现场输入信号是变化范围较大的高频模拟信号，假如采用单一的增益放大，那么放大后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化来相应地调整放大器的增益。本系统选用了AD8321这种频带宽、噪声低、增益可数控，且特别合适在数据收集系统作前置放大用的高频模拟信号调理芯片。高频模拟信号放大后被送到模数转换器中，S3C44B0X自身虽集成有8

6、路10位ADC，但其内部集成的A/D转换只能输入0100Hz的模拟信号，且没有采样保持电路，因此需要对其进展扩展。为了知足8路收集，选择了高速A/D转换芯片AD7829，最大转换速率2MSPS，转换时间为420ns。1.2硬件接口电路本系统硬件接口电路连接如图2所示。本系统利用S3C44B0X的PD口为双向口进展扩展，将AD7829的CONVST与S3C44B0X的PD1相连，用于产生转换脉冲；AD7829的EOC与S3C44B0X的PD0相连，用于产生转换完毕信号。收集信号经A/D转换后，数据先存放在S3C44B0X的存放器里，S3C44B0X先发控制信号再发数据给ISP1581，在此将IS

7、P1581的缓冲区定义为8个，分别写入8路转换后的数据。而PC机通过USB接口与ISP1581连接，ISP1581负责分类和解释PC机发来的信号，详细操作流程如下：PC机发送给USB设备的数据以包的形式写入ISP1581的缓存中，当缓存被写满或者数据发送完毕后，ISP1581就给ARM发中断信号，ARM响应中断信号进入中断效劳程序执行相应的包处理。另一方面，USB设备不能主动向主机发送数据，只有当PC机要求USB设备发送数据时，ARM才将主机需要的数据写入ISP1581相应端点的缓存中。2软件设计2.1数据收集局部数据收集是由S3C44B0X的PD口发出脉冲作为AD7829的转换脉冲CONVS

8、T，当AD7829转换完毕时，EOC输出有效低电平，S3C44B0X接到有效电平后，发下一路地址，然后读数据。当AD7829的和信号有效时，在数据读入S3C44B0X的数据缓冲区的同时将下一路的地址打入，这样循环收集8路模拟输入，直到数据收集完毕，本经过的流程图如图3所示。2.2USB局部软件设计USB系统软件由固件程序、USB系统驱动程序和应用程序三局部构成。2.2.1固件程序的开发固件程序实际上是置于微控制器内部的程序文件，用来辅助硬件完成通信任务。通过ISP1581的INT中断信号与微控制器S3C44B0X的EINT0中断口相连，当接收数据或者发送数据成功时就会产生中断，固件程序的任务就

9、是对这些中断进展响应，完成设备的配置，让USB驱动程序知道设备的才能，接收USB主控制器发来的数据和向主机发送数据。设备固件程序是设备运行的核心，本系统采用KeilC进展编写。SP1581的固件程序采用模块化设计，包括主循环程序、中断效劳程序、USB标准恳求处理和批量数据传送恳求处理四局部。固件模块构造见图4。2.2.2应用程序应用程序包括Win32DLL程序和用户应用程序。Win32动态连接库包含分享函数库的二进制文件，可以被多个应用程序同时使用。客户应用程序那么是实现数据收集系统功能的软件程序，在本系统中采用VisualC+进展编写。2.2.3USB系统驱动程序USB系统驱动程序采用分层构

10、造模型WDM，该模型定义了分层的驱动程序，USB设备驱动程序不直接与硬件对话，而是通过USB驱动程序接口将USB恳求块提交到总线驱动程序进而完成硬件操作。从系统的角度来讲，在USB设备插入主机后，主机检测到USB设备，读取设备描绘符，然后主机根据设备描绘符中提供的厂商ID和产品ID等，启用相应USB设备驱动程序，读取USB设备中的配置描绘符、接口描绘符和端点描绘符，根据需要选择恰当的配置、接口和端点，确定传输方式。这一经过完成后，PC机与USB设备之间就可以进展数据传输了。USB总线的特点使其非常合适用作小型仪器与主机之间的通讯接口，实现主机与便携式仪器之间的简单、快速和可靠的连接。将USB接

11、口应用到数据收集系统中，进步了数据收集系统的速度，增强了系统的抗干扰才能和数据传输的可靠性。本文详细介绍了基于ARM芯片S3C44B0X和USB2.0接口控制芯片ISP1581的数据收集系统的软硬件设计开发方案，设计开发经过较为繁杂，涉及到多方面的软件程序与硬件电路的结合使用，通过实验测试，效果良好。b参考文献/b1罗浩，杨晓非.脱机式数据收集系统的设计J.微计算机信息，2006,224：93-95.2高美珍，洪家平.基于USB接口和嵌入式芯片总线的数据收集系统J.仪表技术与传感器，2005,8:51-53.3邢微，刘开华.数据收集系统USB2.0接口设计J.电子测量技术，2006,291:12-13.4夏益民，王广君.基于USB总线的高速数据收集系统J.国外电子元器件，2003,10:20-23.