基于USB的LDT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　激光多普勒測量技術(shù)（LDT）具有精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大，非接觸測量的特點(diǎn)，成為氣體、流體測量的強(qiáng)有力的工具。近年來，它在固體測量領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于固體表面的粗糙度、運(yùn)動(dòng)速度場、位移場、振動(dòng)場等的精密測量。它的迅猛發(fā)展對(duì)信號(hào)的采集提出了越來越高的要求：高動(dòng)態(tài)范圍、低功耗、便于攜帶、能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)傳輸。針對(duì)這種要求，提出了一種基于USB的LDT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(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(duì)PC的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。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(diǎn)幾乎使其成為目前計(jì)算機(jī)外設(shè)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(dòng)的數(shù)據(jù)線D＋、D－。連接設(shè)備的電纜最長可達(dá)5 m，通過USB集線器以菊花鏈拓?fù)湫问綄?shí)現(xiàn)多達(dá)5級(jí)的拓?fù)溥B接，可外接127個(gè)USB設(shè)備。USB總線可以提供5V、500mA電流，并支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式。它規(guī)定的12Mbps傳輸速率，與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行口相比，大約快出100倍，與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并行口相比，大約快出10倍。
1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1　硬件總體結(jié)構(gòu)
USB實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(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(gè)獨(dú)立的采樣／保持電路和兩個(gè)10位雙積分型的轉(zhuǎn)換器，16路模擬輸入通道，可同時(shí)轉(zhuǎn)換2路信號(hào)。

16路模擬輸入信號(hào)由多路模擬開關(guān)選擇被檢測信號(hào)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(chǔ)器。
　　TMS320F240通過信號(hào)線IS選通USBN9603，將其作為DSP的I／O口訪問。USBN9603的D＋腳外接一個(gè)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(shè)定USBN9603為非總線復(fù)用方式。操作時(shí)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(duì)A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行FFT分析、小波分析等，并通過USBN9603與主機(jī)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(dǎo)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(gè)支持USB1．1協(xié)議的節(jié)點(diǎn)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(gè)雙向的控制節(jié)點(diǎn)Endpoint0、3個(gè)發(fā)送端點(diǎn)、3個(gè)接收端點(diǎn)；具有兩種模式的8位并行接口（復(fù)用模式和非復(fù)用模式）；改進(jìn)的DMA傳輸方式；串行接口引擎SIE，主要負(fù)責(zé)時(shí)鐘恢復(fù)、EOP檢測、位填充、位解填充、CRC編解碼、組幀、拆幀、包類型識(shí)別及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)識(shí)別等。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　USB系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：USB外設(shè)端的固件、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序。應(yīng)用程序通過客戶驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)USBDI（USBDevice Interface）進(jìn)行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的傳送動(dòng)作，固件則響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)
　　固件是指被固化到TMS320F240中的程序。它完成兩個(gè)任務(wù)：控制A／D的采樣和通過USB控制器與主機(jī)通信。USB有控制、中斷、批量、等時(shí)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(gè)USB設(shè)備都必須有控制傳輸?shù)耐ǖ?；中斷傳輸適用于鼠標(biāo)等人工輸入的設(shè)備使用；等時(shí)傳輸適用于對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高的場合，如視頻、音頻數(shù)據(jù)，但其設(shè)備和進(jìn)程的同步設(shè)計(jì)有較大難度，且它不能提供錯(cuò)誤檢查機(jī)制；批量傳輸能提供錯(cuò)誤檢查機(jī)制，適用于打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等不定期傳送大量數(shù)據(jù)的中速設(shè)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?shí)現(xiàn)位于主機(jī)上的USB總線驅(qū)動(dòng)程序（USBD模塊）以及編寫的功能驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)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(shè)備傳送到主機(jī)。