基于USB的嵌入式CCD圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　CCD圖像數(shù)據(jù)的采集與普通視頻信號的采集相比，其最大的特點是數(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)間通過點對點物理層接口(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)寫入計算機(jī)內(nèi)存，然后利用采集卡的存儲功能將數(shù)據(jù)通過IDE接口寫入計算機(jī)硬盤。這種方法雖然簡單可靠，但對多通道、高速圖像數(shù)據(jù)的采集在數(shù)據(jù)傳輸和存儲方面有一定的局限，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、動態(tài)加載驅(qū)動程序，級聯(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，在主機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間可以實現(xiàn)簡單、快捷、雙向、可靠的連接和通訊。

　　1 硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具有穩(wěn)定性、靈活性、通用性等特點。穩(wěn)定性是指不僅要保證數(shù)據(jù)的無失真?zhèn)鬏敚乙ＷC數(shù)據(jù)連續(xù)無丟幀存儲。靈活性體現(xiàn)在系統(tǒng)的信號輸入路數(shù)、系統(tǒng)的存儲容量、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)于多個通道，不同速率的CCD圖像數(shù)據(jù)采集，即要求系統(tǒng)能實現(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，經(jīng)多路開關(guān)選通接入信號放大器，信號放大器能自動調(diào)整增益的大小，對輸入的信號在A/D轉(zhuǎn)換器的量程內(nèi)進(jìn)行信號放大，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，同時將PC機(jī)端的客戶應(yīng)用程序發(fā)出的控制信號通過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；后者的特點是價格低廉、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)場輸入信號是變化范圍較大的高頻模擬信號，如果采用單一的增益放大，則放大后的信號幅值有可能超過A/D轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號的變化來相應(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調(diào)理芯片。高頻模擬信號放大后被送到模數(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，且沒有采樣保持電路，因此需要對其進(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。采集信號經(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)控制信號再發(fā)數(shù)據(jù)給ISP1581，在此將ISP1581的緩沖區(qū)定義為8個，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，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，ARM響應(yīng)中斷信號進(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，ARM才將主機(jī)需要的數(shù)據(jù)寫入ISP1581相應(yīng)端點的緩存中。