基于USB总线的嵌入式CCD图像数据采集系统的设计

CCD图像数据的采集与普通视频信号的采集相比，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图像数据采集方法是在计算机中插入高速数据采集卡，采集卡与CCD相机间通过点对点物理层接口(如RS-422、RS-485)进行数据传输，高速数据采集卡接收到数据并通过PCI总线将数据写入计算机内存，然后利用采集卡的存储功能将数据通过IDE接口写入计算机硬盘。这种方法虽然简单可靠，但对多通道、高速图像数据的采集在数据传输和存储方面有一定的局限，容易引起数据帧的丢失，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、低成本、动态加载驱动程序，级联星型拓扑结构扩充外设数量等特有优点，在主机和数据采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、灵活性、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。灵活性体现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，系统稍做变通即可用于其他高速视频图像的采集。通用性体现在系统能适应于多个通道，不同速率的CCD图像数据采集，即要求系统能实现通道合并，并有较宽的数据传输频带。

USB数据采集系统硬件结构图如图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转换器的量程内进行信号放大，然后由ARM芯片控制进行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机进行数据处理，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芯片为核心的数据采集系统。

1.1 方案选择

1.1.1 USB接口芯片和主控制器芯片的选择
USB控制器有两类，一类是集成了USB接口的单片机，如Cypress公司生产的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。前种芯片虽然编程简单，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行协议处理和数据交换。本系统选择了片上不带CPU的性价比较高的USB2.0控制芯片ISP1581，它完全符合USB 2.0规范，速度可达480Mbps。采用ISP1581可以快速开发出高性能的USB2.0设备；同时为了满足速度要求，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
在高速数据采集系统中，现场输入信号是变化范围较大的高频模拟信号，如果采用单一的增益放大，则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，且十分适合在数据采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路10位ADC，但其内部集成的A/D转换只能输入0～100Hz的模拟信号，且没有采样保持电路，因此需要对其进行扩展。为了满足8路采集，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口为双向口进行扩展，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，用于产生转换结束信号。采集信号经A/D转换后，数据先存放在S3C44B0X的寄存器里， S3C44B0X先发控制信号再发数据给ISP1581，在此将ISP1581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，具体操作流程如下：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服务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 数据采集部分
数据采集是由S3C44B0X的PD口发出脉冲作为AD7829的转换脉冲CONVST，当AD7829转换结束时，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，这样循环采集8路模拟输入，直到数据采集结束，本过程的流程图如图3所示。

2.2 USB部分软件设计
USB系统软件由固件程序、USB系统驱动程序和应用程序三部分构成。

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，当接收数据或发送数据成功时就会产生中断，固件程序的任务就是对这些中断进行响应，完成设备的配置，让USB驱动程序知道设备的能力，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Keil C进行编写。SP1581的固件程序采用模块化设计，包括主循环程序、中断服务程序、USB标准请求处理和批量数据传送请求处理四部分。固件模块结构见图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动态连接库包含共享函数库的二进制文件，可以被多个应用程序同时使用。客户应用程序则是实现数据采集系统功能的软件程序，在本系统中采用Visual C++++进行编写。

2.2.3 USB系统驱动程序

USB系统驱动程序采用分层结构模型(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请求块提交到总线驱动程序进而完成硬件操作。从系统的角度来说，在USB设备插入主机后，主机检测到USB设备，读取设备描述符，然后主机根据设备描述符中提供的厂商ID和产品ID等，启用相应USB设备驱动程序，读取USB设备中的配置描述符、接口描述符和端点描述符，根据需要选择恰当的配置、接口和端点，确定传输方式。这一过程完成后，PC机与USB设备之间就能够进行数据传输了。

USB总线的特点使其非常适合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接口应用到数据采集系统中，提高了数据采集系统的速度，增强了系统的抗干扰能力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的数据采集系统的软硬件设计开发方案，设计开发过程较为繁杂，涉及到多方面的软件程序与硬件电路的联合使用，通过实验测试，效果良好。

参考文献

[1]  罗浩，杨晓非.脱机式数据采集系统的设计[J]. 微计算机信息，2006,22(4)：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采集系统[J]. 仪表技术与传感器，2005,(8):51-53.
[3]  邢微，刘开华.数据采集系统USB2.0接口设计[J].电子测量技术，2006,29(1):12-13.
[4]  夏益民，王广君. 基于USB总线的高速数据采集系统[J]. 国外电子元器件，2003,(10):20-23.