（森林经理学专业论文）spr光谱分析仪ccd传感器的usb接口的研究.pdf

摘要 s p r 光谱仪是一种重要的光学仪器，广泛用于科学技术的各个领域。高精度的c c d 数据采集系统是光谱仪的一个重要组成部分，传统的光谱信号采集系统通常是以板卡的形 式安装在p c 机内，已不能满足光谱仪的微型化要求。本课题研究s p r 光纤光谱仪的u s b 接口和应用软件，以期研发出一个基于u s b 技术的微型光谱仪的数据采集系统，为光谱仪 的微型化和实用化提供一定的技术基础。 本文在查阅大量文献并分析了s p r 光谱仪的发展趋势以及光谱信号采集系统的研究 现状的基础上，提出了c c d 驱动电路、数据采集电路和数据传输方式的设计方案。 。本文从c c d 工作原理入手，对c c d 电子电路部分进行了深入研究，设计了c c d 的 硬件电路。基于c p l d 技术设计的c c d 驱动电路，具有功耗低、速度快、抗干扰性强的 特点，可减小电路的体积和提高工作频率。 在数据传输部分设计中，采用了具有较高传输速度、支持即插即用和热插拔，以及主 机供电等优点的通用串行总线( u s b ) 。并合理选择u s b 控制器及其开发系统。设计确立 u s b 接口系统框架，设计出实际系统电路。进行w d m 驱动程序和单片机固件程序以及 应用程序的设计。， 本文的研究最终实现了c c d 信号的稳定输出和数据采集系统的工作并给出了调试数 据，总结了系统的各方面性能和存在的问题，为进一步的研究积累了经验。 关键词lc c d ：u s b ；p d i u s b d l 2 ；固件；驱动程序；w d m s t u d yo n t h ec c ds e n s o r su s bi n t e r f a c eo ft h eo p t i c a lf i b e r s p 烈由m m e t e rs u r f a c ep l a s m o n r e s n a n c e a b s t r a c t s p rs p c x 加m c t e ri sa l li m p o r t a n tq 咀c a li n s t m m c t ri sw i d e l yu s e di nv a r i o u sa r e a so f s c i e n c ea n dt e e l m o l o g y t h ec c dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i t hh i g hp r e c i s i o np l a y sar o l eo f g r e a ts i g n i t i c a u c c t h e t r a d i t i o n a ld a t a a c q u i s i t i o ns y s t s m i s u s u a l l y i n s t a l l e di n s i d e c c 衄唧曲旺，u l e r ca ms 哪p r o b l e m ss u c h a si n f l u e n c i n gs y s t e mp r e c i s i o nb e c a u s eo fd i s t u r b i n g i np c i tc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h em i c r o - t y p eo fs p e c f f o m e t e r w es t u d ya n dd e v e l o p u s bi n t e r f a c ea n da p p l i c e ds o f t w a r eo fm i c r of i b e rs p e c t r o m e t e ro fs u r f a c ep l a s m o n r c s o n a n c e ( s p r ) ，ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fm i c r o - s p e c 们m e t e rb a s e do nu s b , w h i l e w i l ls e t s o m et e c h n i q u ef o u n d a t i o nf o rm i c r o m a t i o na n da p p l i c a t i o n t h ep a p e ri sb a s so nn u m e r o u sr e s e a r c hw o r k sa n da n a l y z i n gf o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m o fs p rs p e c t r o m e t e r , w ep mf o r w a r dad e s i g np r o j e c ta b o u tc c dd r i v e rc i r c u i t , d a t aa c q u i s i t i o n c i r c u i ta n dd a t at r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e r , t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fc c di sd e s c r i b e df i r s t l y , t h e nt h ee l e c t r o n i cc i r c u i t o fc c di ss t u d i e dd e e p l ya n dd e s i g n e d t h ec c dd r i v e rc i r c u i ti sb a s e dc p l dj tp o s s e s ss m a l l v o l u m e 、l o wp o w e rw a s t e r 、f a s tu a a n s m i s s i o n 、h j 【g ha n t i - j a m m i n gc t c t om a k ed a t a c o m m u n i c a t i o ne f f e c t i v ea n dn o te x p e n s i v e ，t h eu n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) w a sa d o p t e da st h e s y s t e m sc o m m u n i c a t i o nb u s u s bh a sap r e f e r a b l ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e s u p p o r tp c s p l u g a n d - p l a y a r c h i t e c t u r ea n db l l s 例盯姒o c m d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m , a na p p r o p r i a t ec o n t r o l l e r a n di t sd e v e l o p m e n tk i ta l es e l e c t e d t h c f i - a m e w o r ko fu s bi n t e r f a c es y s t e mi se s t a b l i s h e da n dt h ec i r c u i ti sp r o d u c e d t h e6 玎卫h 哦 p r o g r a mo fp d m s b d l 2 w i t ht h ec o l l e c t i n gf u n c t i o n , t h ed a t at r a n s m i s s i o n 雠c s t a b n s h e d , t h c u s bd e v i c ed r i v e rw i t ht h ef u n c t i o no fr e s p o n d i n gu s bt r a n s m i s s i o n 眦e s t a b l i s h e d t h e i 蛐l 埘p r o g r a m w i t hc o m m n i c a t i o na n dc o n l z o lt h ef u n c t i o ni se s t a b l i s h e d i nt h ee x p e r i m e n t , t h es t e a d yo u t p u tc c da n dt h ed a t aa c q u i s i t i o ns 笋t e mo p e r a t i o n 勰 a c h i e v e d , t h et e s td a t a 玳g i v e no u t ，t h es y s t e m s 肼：f 】! h m 觚i c ca n dp r o b l e m 虢s u m l n a r i z b d w h i c hc a n p r o v i d e s o i n ee x p e r i e n c ef o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：c c d ；u s b ；p d i u s b d l 2 ；矗d n w 瓣p r o g r a m ；d e v e l o p i n gd r i v e rp r o g r a m ： w d m 致谢 y j 9 0 6 2 1 7 本文的研究工作是在我的导师封维忠副教授的精心指导和悉心关怀下完 成的，在我的学业和论文的研究工作中元不倾注着导师辛勤的汗水和心血。 导师的严谨治学态度、渊博的知识、元私的奉献精神使我深受的启迪。从尊 敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。 在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意! 在本论文的研究过程中，得到了刘云飞院长和其他几位老师在电路设计、 软件研制中提供的帮助，以及在实验中提供的大力帮助。在此，向他们表示 深深的感谢。 在日常学习和生活中，还要感谢同实验室的师姐、师弟、师娉们的帮助。 在此，向他们表示深深的感谢。 在此，向所有关心和帮助过我的老师、同学表朋友表示由衷的谢意! 衷 心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授! 最后，深深的感谢家人及朋友们的支持和帮助。没有他们的关心和爱护， 就没有我的今天和未来! 作者：壅塑 二o o 六年六月 1 1 数据采集技术概述 第一章绪论 数据采集技术是一门综合多种知识的技术，它主要涉及到模拟信号调理、a d 转换、 数字信号处理等领域，是联系模拟世界和数字世界的桥梁。2 0 世纪7 0 年代以来，计算 机、微电子等技术和数据采集理论迅速发展，促进了数据采集技术的发展，同时也对数据 采集系统提出了愈来愈高的要求。 传统的实验室仪器设备一般多是自带独立的采集、记录系统，其输出结果或者用显示 器显示，但难以精确地予以保留数据；或者用打印机输出，也同样难以精确保存结果，同 时很难得到满意的图形结果。另外，这些结果也不容易进行进步的整理、保存和再利用。 而随着计算机技术的发展，现在的仪器设各可以通过便捷的接口与计算机连接，利用相应 的软件完成数据的记录、显示、分析、存储等。 1 2s p r 光谱分析仪的研究动态 随着科学技术的发展，对罚量技术和测量精度的要求也越来越高。而传感器已经成为 了测试系统中获取铡试数据的主要设备之一，可用来实现多种测试功能，满足测量需求， 所以作为信息源头的传感器对测试技术的发展有着重要作用。 s p r 传感器是利用表面等离子体波共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，简称s p r ) 原理 来工作的一种传感器。表面等离子体波共振是一种物理光学现象，利用光在玻璃界面处发 生全内反射时的消逝波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子体子。在入射角或 波长为某一适当值的条件下，表面等离子体与消逝波的频率和波数相等，二者将发生共振。 入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰( 即反射强度最低值) 。 当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时，共振峰位置将不同翻。我们可以根据共振峰 位置的移动而进一步获得被测介质的不同信息。 使用s p r 传感器进行的生物、化学分析技术是近十年来在国际上兴起的一种新型生 化分析技术，技术水平发展很快应用范围越来越广泛。这种方法灵敏度极高，分析速度 很快。可在数分钟内完成。目前尚无其它技术，能在同一系统中提供这么多、这么快的信 息。 s p r 光谱分析仪就是把s p r 原理和光谱分析的方法结合起来形成的一种光谱仪器。 其实验系统如图1 1 所示，光路是由宽带光源经过偏振器入射到y 型光纤的一端，通过光 纤接头传到光纤传感头，再通过光纤传感头的反射再次经过光纤接头传到光谱仪，然后对 得到的光谱信号进行分析处理，以进一步研究待测样品的物理、化学性质。 光纤s p r 传酵器 品 图1 1 光纤s p r 传感器买验系统 s p r 技术在传感领域中作为一种高灵敏的检测方法正在国外广泛应用，而在我国从 事这方面工作的几个单位才刚起步，在林业研究上的应用还是空白。林业研究中也有许多 生物量和化学量需要检测，s p r 技术拥有传统检测方法无法比拟的优点，必将在林业研 究中越来越多的应用。针对这一问题，我们将s p r 生物传感器用于林业研究，使s p r 生 物传感器的应用趋向多样化，同时也给林业研究提供一种更为便捷有效的方法。 1 3 光谱信号采集的研究现状 电荷耦合器件( c h a r g e - c o u p l e dd e v i c c ，简称c c d ) 自1 9 7 4 年问世以来，已在摄像、监视 系统、天文观察、光谱分析等领域得到广泛应用。在光谱仪器中，c c d 的应用日趋增多。 在国外，默；n t 0 等最早将c c d 用于原子光谱分析，在1 9 8 8 年综述了c c d 在光谱中 的应用旧。h 锄1 y 阴等报道了c c d 作为检测器，扩展了连续光源原子吸收光谱( c s - a a s ) 的动态范围到6 个数量级。w a g n e r 等嘲设计了一个简单的以钨线圈作为原子化器的多元 素吸收光谱仪，之后他们又设计了一个罗兰圈多元素石墨炉原子吸收光谱仪，这两种光谱 仪均以c c d 检测多通道吸收信号。 在国内，武汉测绘科技大学物理研究室的曾延安【l ”等设计了一个高速一维图像采集 卡，将线阵c c d 输出的模拟电压信号转换成数字电压信号，并通过实验证明了该卡满 足整个系统的要求。北京理工大学李全斟1 2 】进行了基于c c d 的成像光谱的信息采集与 数据处理研究。中山大学张展霞、肖敏【1 3 】全面的综述了c c d 的工作原理及其在发射光 谱中的应用n 4 】。 1 a 光谱仪与计算机进行数据传输接口的研究现状 随着计算机技术的发展，光谱仪可以借助便捷的接口与计算机连接，通过w m d o w s 操 作系统和光谱分析软件完成各种功能，光谱仪也越来越趋于模块化、小型化。国内外各大 公司相继推出了与计算机接口的光谱仪，并开发出相关的光谱软件。从掌握的资料来看， 国内外用于光谱仪的计算机接口基本分为两类：一类是传统的接口，如r s - 2 3 2 串口， 一类是总线插卡，如p c i 图形采集卡。至于u s b 接口用于光谱仪是在最近两年的事情 t 1 4 。由于采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内的其他设备干扰，而且由于受计算机插槽 数量和地址、中断资源的限制，不可能连接很多设备【4 】。而且随着电脑应用的扩展，p c 机的外设越来越多，但p c 机主板上所提供的外部接口比较少，所能连接的设备十分有限， 而且拔插设备的时候需要关机，且该设备传输信息的速度也很慢，在要求高传输率的场合 根本无法满足要求。u s b 主要的优点是速度快，高速u s b 可达到1 2 m b p s 设备安装和 配置容易。因此u s b 接口技术应用于光谱系统，对光谱仪的微型化、便携化很有作用， 因此是微型光谱仪接口发展的必然趋势【l ”。 1 5 本论文的研究意义及主要研究内容 由于u s b 具有速度快、使用方便、接口统一、成本低廉等诸多优点，因此基于u s b 技术的o c d 信号采集系统的研究对于s p r 光谱仪的微型化、多样化、便携化和商品化具 有极其重要的现实意义。而且开发研制价格低廉、灵敏度较高适合于林业研究的s p r 光 谱分析仪对于提高我国林业科技检测水平，促进我国林业科研发展也具有十分重要的意 义。 s p r 光谱分析仪主要由四部分组成：s p r 光纤传感器，光源和照明系统，分光系统， 接收系统。本论文主要研究s p r 光谱分析仪接收系统，其接收系统主要是由c c d 图象传 感器组成的数据采集系统，它的作用是测量光谱组成部分( 光谱线、光谱带和连续光谱) 的波长和强度，从而得到我们所研究物质的参数( 成分、含量、温度、星体运动的速度和 质量等) 。 根据课题要求，确定具体的研究内容如下： ( 1 ) 研究c c di 作过程，重点分析c c d ( up d 3 5 7 5 d 芯片) 器件的功能特点及工作时 序要求，设计了基于u s b 接口的数据采集系统，实现对c c d 输出信号的同步采集。最终 研制出了c c d 数据采集系统的硬件电路板，并进行了局部和整体的调试和测试。 ( 2 ) 研究u s b 接口技术和接口原理，选择合适的u s b 控制器和开发系统，进行u s b 通讯实验。 ( 3 ) 研究系统相关的电路和逻辑时序原理，进行c c d 数据采集和u s b 接口系统电路 设计。应用电路的计算机辅助设计软件p m t e l ，将设计转换为实际的电路板，并完成系统 的制作。 ( 4 ) 研究p d f o s b d l 2 芯片的固件编程原理，应用k e i lc 5 1 编译器编译调试固件程序， 以实现实际系统的u s b 传输控制功能： ( 5 ) 研究u s b 的v ：m d o w 驱动程序模型w d m 惭m d o w sd r i v e rm o d e l ) ，应用v ：m 击i v e r 工具生成和调试采集系统的u s b 驱动程序： ( 6 ) 对c c d 传感器的u s b 接口进行了实际测试，各项指标基本达到了设计要求。 第二章数据采集系统的硬件设计 2 1 数据采集系统工作原理 数据采集系统由硬件电路、固件程序、驱动程序、用户态程序构成。它们之间相互协 调工作关系如图2 1 所示。 i 罢簇h 删一擘亘 囤2 1 系统工作原理 底层硬件电路板以a t 8 9 c 5 2 单片机为控制核心，通过中断方式进行工作。根据d 1 2 芯片的中断寄存器判断所触发的中断类型，进而执行相应的中断服务子程序。在不同的中 断程序中可以处理主机发送来的控制指令，也可以将采集来的数据按照u s b 协议打包， 传送给主机。驱动程序作为服务中介，将用户的指令翻译成u s b 设备所认识的命令包， 再发给底层电路板触发d 1 2 的中断。它也负责把d 1 2 传来的数据放入共享内存，交给用 户程序做进一步的处理。 2 2 线阵c c d 采集系统的设计 电荷耦合器件c c d 是一种新型的半导体成像器件，是在大规模集成电路工艺基础 上研制而成的一种新型m o s 型集成电路芯片；它能存储由光或电激励产生的信号电荷： 当对它施加特定时序的脉冲时，其存贮的信号电荷便能在c c d 内作定向传输而实现自扫 描。c c d 在图像传感、工业控制与测量、光谱分析、机器人视觉等方面具有广泛的应用。 由于c c d 具有图像传感和自扫描功能，因而利用c c d 作探测元件进行光谱分析可以克 服目前光谱分析仪的许多缺点【1 q 。 2 2 1c c d 的工作原理 电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者 电压作为信号。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此c c d 工作过程的主要 问题是信号的产生、存储、传输和检测。 c o ) 有两种基本类型：一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿着界 面传输，这种类型器件称为表面沟道c c d ，简称s c c d ( s m f a c ec h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ： 另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿着一定方向传 输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件，简称b c c d ( b o d yc h a 曜ec o u p l e di ) e v i c e ) ，下面 以s c c d 为例，讨论c c d 的基本工作原理【忉。 2 211 电荷的存储 c c d 是按照一定规律排列的m o s ( 金属氧化物半导体) 电容器阵列组成的移位寄存 器。以其结构中的半导体是p 型硅为例，当在其金属电极上加正偏压时，空穴( 多数载 流子) 被排斥，形成耗尽层。继续增加偏压，当金属电极上所加正偏压超过阈值电压后， 半导体体内的电子( 少数载流子) 被吸引到表面，形成一层电荷浓度很高的反型层，形象 地说，s i - s i 0 2 界面处形成了电子的势阱，反型层电荷的存在表明了m o s 结构具有存储 电荷的功能。电荷藕合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。 2 2 1 2 电荷的耦合 如图 电荷耦合器件工作原理较为简单，属于转移电极结构，如三相转移电极结构，其原理 2 2 所示。 图2 2 电荷转移过程圈2 3 三相脉冲驱动电压 如果在三相转移电极由1 、4 , 2 、m3 上加如图2 3 所示的三相脉冲驱动电压后，当巾l 为高电平0 1 ) 时，电荷q 存储与m i 下表面的势阱中。在t 2 时刻，巾1 变为低电平、巾2 交 为高电平后，q s 被转移并存储于由2 电极下表面势阱中，如图2 2 所示的电荷转移过程。 依次类推，信号电荷将逐级转移，最后达到输出端。 c c d 常因各种原因使所存储的信号电荷不能完全转移，若在第n 个电极下存储的信 号电荷为q h ，经一次转移后，转移到第n + 1 个电极信号电荷为( h “i ，则1 1 = c h l 他为一 次转移的转移效率。影响转移效率的的因素很多，尤其是表面c c d ，与工作频率、波形、 电极结构、工艺过程甚至信号大小都有关系。为此，人们研制了埋沟c c d 的新工艺，将 电子势阱底和转移沟道移到体内，从而使转移效率提高到o 9 9 9 9 以上。目前已普遍采用 了埋沟技术。 2 2 1 3 电荷的注入与检测 一、电荷的注入 当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子一空穴对，其多数载 流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为 正面照射式与背面照射式。图2 8 所示为背面照射式光注入的示意图。c c d 摄像器件的 光敏单元采用光注入方式。光注入电荷： 如= 7 7 q ，1 a r c ( 2 - d 式中：n 为材料的量子效率；q 为电子电荷量；叽为入射光的光子流速率a 为光敏单元 的受光面积；t c 为光注入时间。当c c d 确定以后，r i ，q 及a 均为常数，光注入的电荷量 与入射的光谱辐量度成线性关系。该线性关系是应用c c d 检测光谱强度进行多通道光谱 分析的理论基础【r 丌。 u u 够崩 图2 4 背面照射式光注入 二、电荷的检测 电荷包有多种检出方式，通常采用浮置扩散放大器输出法，简称f d a 法。f d a 法输 出结构的基本原理如图2 5 所示，其工作过程是：在终端电极由3 为高电平期间( 信号电荷 存储在该电极下) ，预先用复位脉冲由r 导通t r 管，使浮置扩散极a 达到较高的电平v r d - 随后在巾3 变为低电平时，巾3 电极下的信号电荷q s 经过输出栅o g 下导电沟道转移到电 极a 上，使电极a 的电压下降v a ： 叱= 鲁( 2 - 2 ) 其中c a 是浮置扩散极的结电容。下一个复位脉冲由r 又使a 复位于v r d ，以准各接 收下一个信号电荷。其输出波形如图2 5 嘞所示。 咏畦 (a)电路(b)波形 图2 5 电荷包检出的f d a 法 2 pp d 3 5 7 b d 介绍与时序分析 2 2 2 1p p d 3 5 7 5 d 介绍 图像传感器c c d 的作用是将衍射光谱图样转换成电信号，在整个系统中起关键的作 用。其性能的优劣直接影响着采集的效果，根据已有的资料和实际应用情况，课题选用 n e c 公司的u p d 3 5 7 5 d 芯片。 l lp d 3 5 7 5 d 是一种高灵敏度、低暗电流、内置采样保持电路和放大电路的线阵c c d 图像传感器。该传感器可用于传真、图像扫描和o c r 。像敏单元数目为1 0 2 4 ，像敏单元 大小为1 41 1m x 1 4l ln a x1 41 tm ( 相邻像元中心距为1 4p m ) 。外观尺寸为2 5 。5 m m 1 0 m m ， 易于装卸。工作在5 v 驱动( 脉冲) 、1 2 v 电源条件下口l 】。 1 tp d 3 5 7 5 1 ) 的封装形式为2 0 脚d i p 封装，其引脚排列如图2 6 所示。图2 7 为 p d 3 5 7 5 d 的内部结构原理图，中间一排是由多个光敏二极管构成的光敏阵列，有效单元 为1 0 2 4 位，它们的作用是接收照射到c c d 硅片的光，并将之转化成电荷信号，光敏阵 列的两侧为转移栅和模拟寄存器在传输门时钟o t g 的作用下，像元的光电信号分别转 移到两侧的c c d 转移栅。然后c c d 的m o s 电容中的电荷信号在* i o 的作用下串行从 输出端口输出。 图2 6up d 3 5 7 5 d 的引脚排列图2 7l ip d 3 5 7 5 d 的内部电路原理图 2 2 2 2c c d 时序分析 c c d 的驱动需要四路脉冲，分别为转移栅时钟o i o 、复位时钟c r o 、采样保持时钟 * s h o 和传输门时钟o t g ，将它们分别输人封0 芯片的2 脚、3 脚、4 脚和8 脚，并在相 应的管脚接上相应的电压就可以实现对c c d 的驱动。图2 8 是该四路时序波形图口”。 哪愉盼眦鞍弛 图z 8c c d 驱动脉冲玻形 从波形图可以看出，当转移时钟o i o 变化( 从“1 ”变到。0 t ，或从。o t ，变到“1 ”) 后，经过t 1 时间( 最小崔 2 0 0 n s ，典型值3 0 0 n s ) ，采样保持时钟s h o 从高电平变低电平， 低电平维持时间为也( 最小值l o o n s ，典型值b o o b s ) ，当s h o 从低电平交回高电平时，触 发复位脉冲o r o 翻转，使之由高电平变为低电平，触发的间隔时间为t 3 ( i d , 值3 n s ，典型 值l o o n s ) 。复位脉冲中r o 翻转后维持的时间为州最小值3 0 n s ，典型值l o o n s ) ，当它由低电 平变回高电平时，触发转移时钟o i o 翻转，其触发问隔为t s c i , 5 值0 n s ，典型值5 0 a s ) 。这 样，一个循环结束，输出一个像元。如此不断循环，直至完全输出所有的像元。 2 c c d 驱动电路的设计 c c d 要配上特定的时钟脉冲才能工作。这就需要设计o c d 驱动电路。其赖以正常工 作的驱动信号的发生电路比较复杂，因此驱动电路的设计也就成为其应用中的关键问题之 一。对于不同厂家生产的c c d 其驱动时序不尽相同，即使同一厂家的不同型号的c c d 其 驱动时序也不完全一致。为了充分发挥c c d 的性能，保证c c d 可靠工作，必须设计出符 合c c d i e 常工作的驱动控制电路。只有当驱动控制脉冲与c c d f 睾感器配合良好时，才能 充分发挥c c d 的光电转换功能1 2 2 。如图2 9 是l lp d 3 5 7 5 d 芯片的典型驱动电路。 o i o o t t o o s h o 啦莲6 1 0 v 岍量一 3 3 d 啦 莲 七胁o d 七s 曲 1 2 k o 啦 瞧h c 托莹一 j 一 眦 8 舵卜 十b 卜 船宕n c卜 一t 恒1 g 星o v罾一 匹c z j g t罾一 厂哑 阳西一 图2 9 典型的驱动电路 c c d 的驱动一般有以下方法：i c 驱动方法，直接数字驱动方法，e p r o m 驱动方法 和单片机驱动方法，前三种基本偏重硬件的实现，调试困难，灵活性较差，而后一种虽编 程灵活，但存在资源浪费较多、频率较低的欠缺。在本设计中使用一种基于c p l d 技术 的c c d 驱动电路的设计方案。用c p l d 设计的c c d 驱动电路具有体积小、功耗低、 速度快、抗干扰强的特点，可减小电路的体积和提高工作频率。 根据本人实际情况，本设计使用了天津耀辉公司提供的基于a 哩d 技术的c c d 驱动电 路。参见附录1 。 2 2 4c c d 视频信号调理电路设计 l lp d 3 5 7 5 d 器件的输出信号o s 信号是由转移电荷形成的输出。o s 信号不能直接作 为a d 采集的输入电压信号，必须经过放大电路处理以后才能使用。同时可以利用偏值 电平平滑o s 信号，从而得到理性的输出信号u 0 。放大电路的原理图如图2 1 0 所示。 在放大器的选择上，目前市场上比较常用的有o p 系列、m a x 系列及a d 系列等。 参照各类放大器的特点，在本设计中选用的是_ a d 8 0 3 1 a n ，a d s 0 3 1 a n 是一款双路、低 功耗、单电源、采用了轨对轨技术的运算放大器，主要应用在数据采集、信号调理、便携 式设备等方面。 交阻器r 5 用来调整c c d 的偏值电平，以改变 c c d 的灵敏度。当c c d 没有信号输入时， 放大器的反相输入端的信号必须略高于正相输入端的信号。两个信号越接近，则灵敏度越 高。r 7 用来调整放大器反馈电阻，以改变放大倍率。 图z1 00 c d 输出信号l h x 电路 2 2 5c c d 数据采集系统电路设计 根据c c d 传感器视频信号应用的差异，对o 视频信号的处理有两种方法：一是对 一9 一 c c d 视频信号进行二值化处理。再进行数据采集；- - 是对a 视频信号采样、量化编码后 再采集到计算机系统。 本系统设计的目的是采集光谱信息进行分析，它是连续的视频信号，因此采用第二种 方法对光谱信号在时间上进行间隔采样，使其变成离散的模拟信号，再由d 转换器将模 拟信号转变成数字量送入单片机。c c d 视频信号的量化过程如图2 1 l 所示。 图2 “c 视频信号量化过程 c c d 视频信号经采样保持后，需要进行a 仍数据采集，并将采集到的数据通过u s b 接 口送刭计算机进行处理。如图2 1 2 是数据采集电路。根据实际情况和课题研究的重点，a d 转换嚣本文选用的是越) c 0 8 0 9 。a d c 0 8 0 9 为逐次逼近式脯换器，具有8 个模拟量输入 通道，输入电压范围式0 5 v ，和o 输出电压范围相同，因此o c d 视频信号直接送a o s 0 9 的模拟信号输入端；由于a d c 0 8 0 9 片内无时钟，利用单片机a 鹞8 c 5 2 的a i 正信号经二进制 计数器 t c f l 4 0 2 4 - - 分频后，提供给舢) ( 瑚0 9 的时钟信号a 2 x 端；o c d 驱动电路输出的像 元同步脉冲s p 送入ad i 。0 8 0 9 的s 野r i 端，产生与像元同步的启动a d 脉冲，使a d 0 0 8 0 9 在c c d 输出像元信号的有效时间进行a d 转换；行同步脉冲f c 接入单片机p 1 0 q 线，利用 查询方式来控制a d 0 0 8 0 9 的启动时间。a i x 8 0 9 的地址线a 、b 、c 及控制线a i 正、o e 由 单片机的p 2 口的口线控制；而e o c 控制线则与a t 8 9 c 5 2 的口线p 3 2 相连，作为中断请求信 号使用。 2 3 u s b 接口电路设计 圈2 1 2c c d 数据采集电路图 带u s b 接口的数据采集系统的开发，关键在于u s b 接口的开发。要实现u s b 外设与计 算机接口，需要使用相应的u s b 控制器。选择一个u s b 控制器时，开发者主要考虑的是控 制器含有的功能、价位、是否容易取得以及是否容易开发等因素。一个u s b 控制器是否容 易开发视开发工具是否容易取得及其品质、设备的驱动程序、有无示例程序代码、以及对 设备的结构等的了解而定。下面将对本设计所使用的u s b 控制器及其接口电路进行详细的 论述。 2 , 3 1u s b 接口芯片的选择 现在的u s b 生产厂商很多，几乎所有大的硬件厂商都有相应的u s b 的产品。u s b 芯片 一般有三种类型：一种是m c u ( 微控制器单元) 集成在芯片里面的，如i n t e l 公司的8 x 9 3 0 a x , c y p r e s s 公司的e z - u s b 。s i e m e n s 公司的c 5 4 i u 以及m 0 io r a 和哟耐s 。嗑如血咖薄 公司的产品；另一种就是纯粹的u s b 控制器接口芯片，仅负责处理u s b 通信，如p h i | i p s 公司 的p d i u s b dl l f f 2 c 接口) 、p d i u s b p l l a ，p d i u s b d l 2 ( 并行接口) ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的u s b n 9 6 0 2 、u s b n 9 6 0 3 、u s b n 9 6 0 4 等。还有一种是专为u s b 设计的芯片，如 c y p l e s s 的m 8 系列、s c a n l o g i c 的s l l l r 等。 这3 类u s b 控制器的特点的比较如表2 1 所示。 表2 l 三种类型u s b 接口芯片特点比较 专为u s b 设计与现有芯片兼容只处理u s b 通信 优点特别设计，功能强大，硬件设计简单，具有m c u灵活性强，性价比高， 能够达到最佳化 通用功能 开发成本低廉 缺点 选择范围大。专用指 开发系统昂贵，开发成本硬件设计较为复杂， 令，开发难度大高调试比较麻烦 在进行u s b 功能设备的开发时，首要的任务就是定义其性能指标并选择一款合适的 u s b 接口芯片。如果选择的好，可以大大节省开发时间何费用。一般选择u s b 功能设备芯 片时应考虑以下因素： ( 1 ) u s b 芯片的传输速率。即它与u s b 主机交换数据时可以使用的传输速率，分为 1 s m b s 的低速传输，1 2m b s 的全速传输及4 8 0m b s 的高速传输。 ( 2 ) u s b 芯片的硬件资源。不同的u s b 芯片所提供的硬件资源是不同的，如片内存储 器的容量、i o e 3 的类型何数量等。有的芯片还提供了诸如看门狗、定时器等特殊模块。 ( 3 ) u s b 芯片的开发工具包。在设计开发的过程中，良好的开发工具包是必不可少的， 它会大大方便系统的软硬件调试。另外，有的工具包还提供了芯片固件的范例代码，典型 的u s b 设备驱动程序何界面应用程序等，开发人员只需在其基础上稍加修改即可使用。 ( 4 ) u s b 芯片的价格，为节约成本，应选择性价比最高的芯片。 ( 5 ) 自我因素。除了以上u s b 芯片的因素外，开发人员应选择自己熟悉的硬件结构何 固件编程语言。 为了缩短产品的开发周期，一定要慎重选择u s b 接口芯片 4 3 。 综合以上各种因素，比较了几款i 珞b 接口芯片，结合自己的实际情况，鉴于p h i l i p s 公司的p i ) j s b d l 2 芯片的良好的性能，优越的性价比，以及丰富的范例代码，本设计采 用的u s b 黼j 器是珊j l i ：p s 公的p d l u s b d l 2 。 2 3 2p d i u s b d l 2 芯片简介 p d i u s b d l 2 是一种性能优化的u s b 器件，通常用在基于微控制器的系统中并与微控 制器通过高速通用并行接口进行通信，也支持本地d 1 咄啦输。该器件采用模块化的方法 实现一个u s b 接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许 使用现存的体系结构并使固件投资减至最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本， 是开发低成本且高效的u s b 岁 - 围设备解决方案的一种快捷途径。 p d i u s b d l 2 完全符合u s b l 1 标准规范，也能适应大多数设备类规范的设计，如成像 类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设各类等，因此, p d i u s b d l 2 非常适合做 很多外围设备的u s b 黼j 器，如打印机、扫描仪、外部大容量存储器( z i p g g 动器) 和数码相 机等。现在用s c s i 实现的很多设备如果用u s b 来实现可以直接降低成本。 p d i u s b d l 2 挂起时的低功耗和l a z y c l o c k 输出符合a c p i 、o n n o w ( - - 种电源管理参 考规范) 和u s b 电源管理设各的要求，低功耗工作允许实现总线供电的外围设各。芯片集 成了s o f t c o n n c c t 、g o o d l i n k 、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。这些特性 都能在系统实现时节省成本，同时在外围设备上很容易实现更高级的u s b 功能【l ”。 2 3 3p d i u s b d l 2 芯片内部结构 p d i u s b d l 2 芯片的内部框图如图2 1 3 所示阐 囤2 1 3p d i u s b d l 2 内部结构图 芯片各功能结构简介： 模拟收发器 集成的收发器直接通过终端电阻与u s b 电缆接口。 电压调整器 片上集成的1 个3 3 v 电压调整器为模拟收发器供电，也提供连接到外部1 5 kq 上拉电 阻的输出电压。作为选择，p d 】叮s b d 砼提供集成的1 5 k o 上拉电阻的s o f t c o n n e c t 技术。 p l l 片上集成的1 个6 4 8 姗z 的倍频p ii 锁相环) ，允许使用6 m l - i z 的晶振，踟也由于使 用低频晶振而减小，p l l 的工作不需要外部器件。 位时钟恢复 位时钟恢复电路用4 倍过采样原理从输入的u s b 数据流中恢复时钟，能跟踪i 思b 规范 中指出的信号抖动和频率漂移。 p h i l i d s 公司的串行接口引擎( p s m ) p h i l i d s 公司的s m 完全实现了u s b 协议层。考虑到速度因素，它采用的是完全由硬件 实现而不需要固件的参与。这个模块的功能包括：同步模式识别、并，串转换、位填充，去填 充、c r o 陂验、p d 确认、地址识别以及握手鉴定等。 s o f b c o n 鳅技术 高速设备与u s b 的连接是把d + 引脚通过1 个1 5 k q 的上拉电阻接到高电平来实现的。 在p d t s b d l 2 中，这个上拉电阻是集成在芯片内的，在缺省情况下没有连接到电源v c c ， 这个连接是靠外部m c u 发命令来建立的。这使得系统微处理器可以在决定建立u s b 连接 之前完成初始化。重新初始化u s b 总线连接也可以不用拔掉电缆来完成。 g o o i n 嫩术 c - o o d l m k 技术是通过一个引脚接发光二极管来实现的，在u s b 设备枚举啦正d 指示灯 将立即闪亮：当p d i u s b d1 2 被成功枚举并配置时，l e d 指示灯将会始终点亮：经过 踟s b d l 2 的u s b 数据传输过程中，l e d 将闪烁，传输成功后l e d 熄灭；在挂起期间，l e d 熄灭。这种特性可以使设计者知道嗍s b d t 7 - 的状态，方便电路的调试。 内存管理单元m 町和集成l 乙a m 存储管理单元m m u 和集成r a m 能缓冲u s b ( i 作在1 2 m _ b ，s ) 数据传输和微控制器并行 接口之间的速度差异，这允许微控制器以自己的速度读写u s b 包。 并行和d m a 接口 并行接口容易使用、速度快并且能直接与微控制器接口。对于微控制器，p d i u s b d l 2 可以看成是一个有8 位数据总线和l 位地址线的存储设备。p d i u s b d1 2 支持多任务和非多 任务的地址和数据总线。在主端点( 端点2 ) 和局部共享内存之间也可使用d m a ( 直接内存存 取憔输。它支持单周期和块传送模式两种d m a 传输。 m c u 与d 1 2 的连接示意图如图2 1 4 所示， 图2 1 4a t 8 9 c 5 2 与d 1 2 接口图 数据总线 a _ t 8 9 c 5 2 的数据线p 0 0 p 0 7 和p d i u s b d l 2 的数据线d 0 d 7 连接。传输8 位并行数 据。d 1 2 同时有两个串行传输引脚d + 和d ，结合电压引脚唧接地引脚g n d ，可以引出 u s b 上行电缆。d + 和n 以差分形式传送u s b 数据。 地址总线 p d i u s b d l 2 的片选线c sn 接地，d 1 2 与a t 8 9 c 5 2 可以用地址数据总线复用月 复用两 种连接方式，由于m c u 的外设不多，设计中采用了非复用方式。因为只需一位地址，所