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          基于USB的LDT實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

          作者: 時間:2012-04-14 來源:網(wǎng)絡 收藏

            激光多普勒測量技術()具有精度高、動態(tài)響應快、測量范圍大,非接觸測量的特點,成為氣體、流體測量的強有力的工具。近年來,它在固體測量領域得到了長足的發(fā)展,被廣泛應用于固體表面的粗糙度、運動速度場、位移場、振動場等的精密測量。它的迅猛發(fā)展對信號的采集提出了越來越高的要求:高動態(tài)范圍、低功耗、便于攜帶、能與計算機進行實時高速數(shù)據(jù)傳輸。針對這種要求,提出了一種基于USB的系統(tǒng)。
            USB(Universal Serial Bus)總線是由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、連接簡單、高帶寬、可總線供電等優(yōu)點幾乎使其成為目前計算機外設的首選通信接口。
            該文依據(jù)的是USB1.1協(xié)議規(guī)范,總線一共4根:5V電源線、地線及兩根以差分形式驅(qū)動的數(shù)據(jù)線D+、D-。連接設備的電纜最長可達5 m,通過USB集線器以菊花鏈拓撲形式實現(xiàn)多達5級的拓撲連接,可外接127個USB設備。USB總線可以提供5V、500mA電流,并支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。它規(guī)定的12Mbps傳輸速率,與一個標準的串行口相比,大約快出100倍,與一個標準并行口相比,大約快出10倍。
          1 系統(tǒng)硬件設計
          1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)
          USB系統(tǒng)硬件如圖1-1所示。DSP控制器TMS320F240內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括兩個獨立的采樣/保持電路和兩個10位雙積分型的轉(zhuǎn)換器,16路模擬輸入通道,可同時轉(zhuǎn)換2路信號。

          16路模擬輸入信號由多路模擬開關選擇被檢測信號接入A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)TMS320F240寫入FIFO存儲器。
            TMS320F240通過信號線IS選通USBN9603,將其作為DSP的I/O口訪問。USBN9603的D+腳外接一個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為非總線復用方式。操作時序是將地址線A0置高,將欲讀寫的地址從數(shù)據(jù)線D0~D7寫入,然后將A0置低,讀寫D0~D7中的數(shù)據(jù)。
            由DSP對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行FFT分析、小波分析等,并通過USBN9603與主機交換數(shù)據(jù),接收控制命令。
          1.2 USBN9603控制器
            目前市場上有兩類USB接口控制器:一類是帶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(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集大家都比較熟悉,便于硬件開發(fā)和軟件編程,然而開發(fā)工具較昂貴。另一類是專用接口控制器,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是一個支持USB1.1協(xié)議的節(jié)點控制器。具有靜態(tài)模式和異步喚醒功能;5V/3.3V供電;具有一個雙向的控制節(jié)點Endpoint0、3個發(fā)送端點、3個接收端點;具有兩種模式的8位并行接口(復用模式和非復用模式);改進的DMA傳輸方式;串行接口引擎SIE,主要負責時鐘恢復、EOP檢測、位填充、位解填充、CRC編解碼、組幀、拆幀、包類型識別及節(jié)點狀態(tài)識別等。

          2系統(tǒng)軟件設計
            USB系統(tǒng)軟件設計分為3個部分:USB外設端的固件、主機操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動程序以及應用程序。應用程序通過客戶驅(qū)動程序與系統(tǒng)USBDI(USBDevice Interface)進行通信,由系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的傳送動作,固件則響應各種來自系統(tǒng)的標準要求,完成各種數(shù)據(jù)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。它完成兩個任務:控制A/D的采樣和通過USB控制器與主機通信。USB有控制、中斷、批量、等時等4種數(shù)據(jù)傳輸模式。其中控制傳輸用于傳送一些系統(tǒng)控制命令,每個USB設備都必須有控制傳輸?shù)耐ǖ?;中斷傳輸適用于鼠標等人工輸入的設備使用;等時傳輸適用于對數(shù)據(jù)實時性要求較高的場合,如視頻、音頻數(shù)據(jù),但其設備和進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(diào)制解調(diào)器等不定期傳送大量數(shù)據(jù)的中速設備。
            系統(tǒng)采用兩種傳輸方式:控制傳輸和批量傳輸??刂苽鬏斢脕韺崿F(xiàn)位于主機上的USB總線驅(qū)動程序(USBD模塊)以及編寫的功能驅(qū)動程序?qū)υO備的各種控制操作;批量傳輸用來完成將采集數(shù)據(jù)從設備傳送到主機。


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