USB数据采集系统在气象卫星云图接收设备中的应用【精品论文】 .pdf

usb 接口数据采集系统在 气象卫星云图接收设备中的应用 黄莉赵春年 ( 南京大桥机器有限公司南京 2 1 11 0 1 ) 擒 要本文结合气象卫星云图接收设备数据采集的实际需要，设计了一种基5 - u s b ( 通用串6 r 薏, - 线) 接口的 数据采集系统该系统通过对u s b - 接口控制逻辑的合理设计和芯片内部f i f o # 有效运用，充分应用了f p g a 的 灵活性，采用单片u s b 4 妻口控制芯片实现对卫星云图数字信号的实时采集，具有成本低、实现方便等优点。 关键词c y 7 c 6 8 0 1 3 u s b 2 0 教籀采集固件 。 1 引言 现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精 度的测量中，需要进行高速数据采集。现在通用的高速数据采集卡一般多是p c l 卡或i s a 卡，存在安装麻烦、 价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无 法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，i ! p u s b 总线) 凭借其即插即用、热插拔以及较高的传输速率等优 点，成为p c 机与外设连接的普遍标准，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于u s b 的高速数据采集卡 充分利用u s b 总线的上述优点，有效解决了传统高速数据采集卡的缺陷。2 0 0 0 年发布的u s b 2 o t g 范提供了 6 8 0 m b s 的传输速率，满足了更快的数据传输要求。为了使数据采集卡快速地向p c 机传送大量的数据，我 们在设计数据采集系统与p c 机的接口时采用u s b 2 0 技术。以c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 系列中的 c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片作为核心控制器，设计开发了一套符合u s b 2 o 标准的数据采集系统。 2 系统组成及原理 整个数据采集系统总体框架分采集控制部分、u s b 接1 2 1 控制部分和主机应用软件三部分。系统框图如 图l 所示。 在本系统中采用的是双帧存储结构，每个由一片i d t 7 0 v 2 7s r a m 构成，能够存放一帧卫星云图数据。 由于采用了乒乓机制，两片存储器之间交替工作，从而使云图数据的采集和传输并行进行。当接收到卫星 云图数据的信息码和位同步码时，f p g a 首先从信息码中提取出帧同步，产生相应的帧同步脉冲，确定信息 段的开始，然后将信息段的数据通过控制逻辑存储到s r a m l 中，为确保在任何时刻只有一片s r a m 可以读 取采集到的云图数据，设置了一个读互锁，同样，只有一个s r a m 可接收采集到的云图数据，因此，又设 置了一个写互锁。当一帧云图数据的采集，存储过程结束后，s r a m l 进入写结束状态。此时切换s r a m 。 s r a m 2 继续存储采集到的数据，同时js r a m l 处于可读状态，由f p g a 里的控制逻辑控制，将s r a m l 中的 数据传输n u s 8 芯片，然后传输到主机。本系统采用双s r a m 结构和乒乓机制，两片存储器交替工作，使 图像的采集和传输并行进行。双帧存结构有效地提高了系统的工作效率。 在本采集系统中，usb 芯片 c y 7 c 6 8 0 1 3 采用s l a v ef i f o 异步工作方式， 把f i f o i f l g 置成和e p 2 端口相连、每个数据 包1 0 2 4 字节、甥冲的方式，块传输模式。 这样的设置可以满足系统要求，同时也有 效地利用了内部的4 k bf i f o 来传输采集到 的云图数据，系统控制使用了f a l g b 信号 引脚，用来报告“f i f o 满”的状态，默认 为低电平有效。本文采用的是自动输入方 广 = 刮缓打器jn ( 0 0 y f p ( 认 c y 7 c d 巫b 6 8 0 1 3 图l 基于u s b 数据采集系统的系统框图 2 3 7 式，当f i f o 中的数据满一定量时，e z u s b f x 2 就直接通过f i f o 把数据传送n v s a 收发器，而 不经过c p u 的干预，这样就提高了传输速度。 3 硬件设计 3 1u s b 控制芯片 c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 系列芯片是最早 符合u s b 2 0 协议的微控制器之一。它集成了收发 器f t r a n s c e i v e r ) 、串行接口引擎( s i e ) ，增强型 的8 0 5 1 内核以及可编程的外围接口( g p i f ) f x 2 系列芯片独特的结构使数据传输速度最高可达 至i 5 6 m b p s ，最大程度地满足了u s b 2 0 的带宽。 c y 7 c 6 8 0 1 3 的结构框图如图2 所示。 t ， 图2c y 7 c 6 8 0 1 3 结构框图 f x 2 的端点缓冲区分为大小两组：e p 0 、e p l ( 1 n ) 、e p l ( o u t ) 是小端点，大小为6 4 字节，只能由 c p u 来存取，不能由外部逻辑连接；e p 2 、e p 4 、e p 6 、e p 8 是大的可配置的端点，e p 2 和e p 4 默认为o u t 端 点，e p 6 和e p 8 默认为i n 端点。f x 2 为其大端点提供多种缓冲方式，满足了传输中高带宽的要求，传输过程中 e z u s b f x 2 从i n 缓冲区中读取上传到主机的数据，在o u t 缓冲区中写入供外部处理器读取的数据。 它具备全速( 1 2 m b p s ) 和高速( 4 8 0 m b ) 两种传输速率，并具有 协议所规定的讲传输模式，即控p s u s b 制传输( c o n t r o l m o d e ) 、中断传输( i n t e r r u p tm o d e ) 、块传输( b u l km o d e ) 和等时传输( i s o c h r o n o u s m o d e ) 。 3 2i d t 7 0 v 2 7 、i d t 7 0 v 2 7 是由美国i d t 公司生产的高速大容量先进先出存储器件( f i f o ) 。其最高工作频率为 6 7 m h z ；容量为3 2 k + 1 6 ；i d t 7 0 v 2 7 可以设置标准工作模式或者f w f t ( f i r s tw o r df a l lt h r o u g h ) 工作模式， 并提供全满、半满、全空、将满以及将空等五种标志信号；非常方便进行容量扩展。容量扩展是 i d t 7 2 v 2 1 1 3 的一大特点，扩展方式可分为字长扩展和字深扩展。通过容易扩展可以由多片i d t 7 2 v 2 1 1 3 形 式更大容量的缓冲，并且电路连接简单、可靠。 3 3f p g a 芯片e p f l 0 k 2 0 在本设计中，所用的f p g a 采用a l t e r a z 司的e p f l 0 k 2 0 t c l 4 4 。它提供多达6 3 0 0 0 个可用门、1 1 5 6 + 逻 辑单元，1 4 4 个逻辑阵列。可以容纳各种独立的组合逻辑和时序逻辑功能，内置j t a g 边界扫描测试电路， 可以通过j t a g i s 进行在线编辑，设计者可将设计内容) a p c 机上通过下载电缆和j t a g h 对其进行任意次修 改，它有多达1 0 0 个i o 引脚可供编程使用，方便系统扩展存储空间和外设。 本系统使用e p f i o k 2 0 的主要功能是对卫星信号数据进行帧提取，各种控制时钟以及存储器地址的产 生，完成一些控制功能，完成信号数据的合路，形成特定的数据格式，送入u s b 控制芯片的f i f o 中。 根据系统对数据传输的速度和实时性的要求，配置c y 7 c 6 0 1 3 的工作接口模式为从f i f o 模式，硬件连 接方式如图3 所示。 f p g a 控制采集外部数据的时钟可同时作为 c y 7 c 6 8 0 1 3 的从f i f 0 模式的读写控制时钟，即 c y 7 c 6 8 0 1 3 的接口时钟连接到i f c l k 弓i 脚 f l a g a f l a g d 为f i f 0 标志引脚，用于映射 f i f o 的当前状态，s l w r s l r d 是c y 7 c 6 8 0 1 3 从 f i f o 的写使能，读允许信号，c p l d 向 c y 7 c 6 8 0 1 3 从f i f 0 提供从f i f 0 输出允许信号 s l o e ，仅在数据输出时有效，f d 1 5 ：o 】为1 6 位 双向数据总线。f i f o a d r 1 ：o 】为端点f i f o 选择 信号。 3 4 外接e e p r o m 电路 2 3 8 信息码。 f l a g b 位脉冲 f l a g b 。f i f o a d r 10 j 。 f p g a c y 7 c 6 8 0 1 3 s l r d s l w r s l o e r f d ：150 f dl 150j 图3 硬件连接框图 系统上电后，u s b 内核首先检查1 2 c 总线上是否有e e p r o m 。如果有，并且其第一位数据是o x c 2 ，则 e z u s bf x 2 将e e p r o m 中的内容全部拷贝到内部r a m 中，然后重列举，并开始执行r a m 中的固件程序。 由于c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片已经将1 2 c 总线集成，设计转化为对1 2 c 总线上挂接的e e p r o m 的设计。e e p r o m 电路 采用的是2 4 l c l 2 8e e p r o m 。 4 软件设计 本系统软件设计包括：固件、驱动程序和应用程序的设计。其中，固件程序是指运行在设备c p u 中的 程序，是整个程序设计的核心，可采用汇编语言和c 语言设计。只有在该程序运行时，外设才能称之为具 有给定功能的外部设备。 4 1u s b 设备固件程序设计 固件程序负责处理p c 机发来的各种请求，主要负责设备与外围电路进行数据传输。完成一个完整的事 务传输，除了开发环境k e i l 包括的文件，还需要f w c ( 固件架构原是程序代码) 、d s c r a s l ( u s b 描述符 表) 、e z u s b 1 i b ( e z u s b 函数库对象程序代码) 、p e r i p h c ，( 用户函数，也就是设计中实现g p i b 功能要 编写的函数) 以及相关的中断跳转函数u s b j m p t b o b j 。功能函数里的t d p o l l ( ) 负责完成用户指定的 功能，应该包括一个执行用户外围功能的状态机。从这个函数返回的话，高优先级的任务应该首先执行。 v o i dt d p o l l ( v o i d ) i f ( ! ( e p 2 4 6 8 s t a t b m e p 2 e m p t y ) ) i f ( ! ( e p 2 4 6 8 s t a t & b m e p 6 f u l l ) ) 判断端点2 的f i f o 缓冲区是否满 fa p t r l h = m s b ( & e p 2 f i f o b u f ) ；自动指针l a p t r l l = l s b ( & e p 2 f i f o b u f ) ： a u t o p t r h 2 = m s b ( & e p 6 f i f o b u f ) ；自动指钔 a u t o p t r l 2 = l s b ( & e p 6 f i f o b u f ) ； c o u n t = ( e p 2 b c h 8 ) + e p 2 b c l ； f o r ( i = 0 x 0 0 0 0 ；i c o u n t ；i + + ) f e x t a u t o d a t 2 = e x t a u t o d a t l ；将端点2 中断的数据复制到端点6 e p 6 b c h = e p 2 b c h ；设置端点6 的字节数 s y n c d e l a y ： e p 6 b c l = e p 2 b c l ， s y n c d e l a y ： e p 2 b c l = 0 x 8 0 ；l l 4 2 驱动程序设计 f x 2 的设备驱动程序有两种：一种用来在设备接入时从主机下载固件到r a m 中，称为固件下载驱动程 序( e z l o a d e r s y s ) ；另一种是在设备重新列举后加载的设备驱动程序( e z u s b s y s ) 。应用软件通过该设备 驱动程序与f x 2 通信。 固件的程序代码既可以通过外部e 2 p r o m 下载，也可以通过主机下载在本系统中选择从主机下载，此 时外接e 2 p r o m 中存放的是固件下载的p i d v i d ，且第1 个字节是0 x c o h ，系统通过该p i d v i d 找到固件下 载驱动程序( e z l o a d e r s y s ) 将相应的固件代码下载到f x 2 的r a m 中。e z l o a d e r s y s 的生成是利用c y p r e s s 公司 提供的固件下载驱动程序源代码和用户编译成功的固件代码。在w i n 2 0 0 0d d k 中刨建的，并根据 e 2 p r o m 提供的p i d v i d 修改相应的i n 破件，在将固件下载r a m 中后系统清楚内存中的固件下载驱动程 序，并进行重新列举，让c 8 0 5 1 固件控制f x 2 ，此时，系统获得由c 8 0 5 1 固件提供的p i d v i d ( 与 e 2 p r o m 中的不同) ，认为有新的u s b 设备接入，并据此加载相应的设备驱动程序。 4 3 用户程序设计 应用程序开发中，可用v c + - i - 编制应用程序。所有的用户程序是通过i o 控制调用来访问e z u s b 的 设备驱动程序的，可以把e z u s b 设备当成文件来操作，利用c r e a t e f i l e 得至l j e z u s b 句柄，通过得到的句 2 3 9 柄，用一个w i n 3 2 函数d e v i c e i o c o n t r o l ( ) ，把i o c t i 翮相关的输入输出缓冲区提交给驱动程序，来进行 控制传输，用r e a d f i l e ，w r i t e f i l e 进行批量传输。当应用软件退出时，用c l o s e h a n d l e ( ) 关闭设备。 5 结束语 本文结合实际工程的需要，提出了基于u s b 接口的卫星云图数据采集的设计方案，并给出了硬件系统 及软件设计方法，在南京大桥机器有限公司卫星云图接收设备的实际应用中，该系统与后端软件结合，实 现对卫星云图数据的分析与处理。 在该数据采集系统的设计中，c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件的设计，提高 了系统的可靠性，也利于p c b 板的制作与调试。另外，u s b 设备的可热插拔特性使得该系统具有便携式的 特点，使用方便，无需关机重启或打开机箱进行安装。该数据采集系统已成功地应用于气象卫星云图接收 处理设备，取得了良好的效果。 参考文献 lc y 7 c 6 8 0 1 3e z - u s bf x 2u s bm i c r o c o n t r o l l e r 【d b o l c y p r e s ss e m i c o n d u c t o rc o r p o r a t i o n ，d e c e m b e r1 9 ，2 0 0 2 2 钱峰 “e z u s bf x 2 单片机原理、编程及应用”北京航空航天大学出版社2 0 0 6 3 陈逸“u s b 大全”中国电力出版社2 0 0 1 4 马伟“计算机u s b 系统原理及其主，从设计”北京航空航天大学出版社2 0 0 4 5 张垦阳等“e b s ，m o d l s 到i b 数据集合格式说明”中国气象局国家卫星气象中心2 0 0 1 6 徐建平等“各国静止气象卫星的发展”江苏气象科技2 0 0 1 2 古罩 同灭敏度长程吸收光谱技术 及其在大气科学中的应用 高晓明赵卫雄吴涛 ( 中国科学院安徽光学精密机械研究所合肥l1 2 5 信箱2 3 0 0 3 1 ) 1 引言 随着窄线宽激光技术的发展，激光吸收光谱技术迎来了一个新的发展时期，同时也推动了高灵敏度吸 收光谱技术的进步，为激光吸收光谱