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(jiǎn)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(jiǎn)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?，而且要保證數(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(jiǎn)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。