（光学专业论文）基于多元阵列探测器的快速光声层析成像.pdf

中文摘要 中文摘要 本工作首先设计开发了以图形化编程语言l a b v i e w 为应用程序开发平台的 u s b 高速数据采集处理系统，此卡采用u s b l 1 的总线接口协议，每秒传输速率 达1 2 m b s ，最高采样率为2 4 m s p s ，不仅能够实现对模拟信号的高速采集，一 般的输入输出( i o ) 功能，而且能够实现高速的计数功能。着重从硬件和软件方 面讨论了该系统的设计，并给出了在l a b v i e w 中对外部动态连接库的调用方法 以及u s b 驱动程序的设计方法。此采集卡应用于超微弱发光单光子计数细胞功 能分析仪，实现了相关检测的全程自动化测量，该仪器能够灵敏、直接并有对照 性地检测超微弱化学发光。 其次，在高速采集卡的基础上设计研制了基于多元线性阵列探测器系统的快 速光声层析成像装置，首次实现了基予多元阵列探测器的光声成像。该装置和方 法与现有的成像方法比较，具有快速方便的特点，将它应用于生物组织的光声成 像，有望成为一种组织功能在体成像的新方法，并发展成为一种低成本的实用的 临床诊断装置。 最后，在基于相控聚焦的多元线性阵列探测器进行快速光声层析成像的方法 和装置上，实现了模拟物质的光声层析成像。实验中采用波长为5 3 2 n m 脉宽为 7 n s 的倍频q y a g 激光器作为激发光源。多元线性阵列探测器由3 2 0 个振元组 成，采用相控聚焦的方法成像，每次由1 1 个振群的探测器接受信号并合并1 路， 一幅图像由“路这样的信号组成。实验结果能够正确反映样品中的光学吸收分 布。文中详细讨论了多元线性阵列探测器系统的组成和实现方法以及实验装置的 组成，相控聚焦的成像算法在多元线性阵列探测器中的应用。该系统不仅能够实 现光声成像，同时能够实现超声成像，还能够实现光声和超声结合成像，这种结 合成像为生物组织的功能成像提供更丰富的信息，并进行了光声和超声结合的成 像实验。同时讨论了不同频带的光声信号对光声成像的影响，当探测器的带宽范 围与光声压频谱范围基本吻合时，损失的频率成份较少，成像效果较好。针对大 小不同的物体应该采用不同带宽探测器采集光声信号或者取宽带探测器的不同 的频带范围进行重建。 总之，利用u s b 接1 ：3 技术实现模拟和数字信号的快速采集，并针剥性的应 1 i i 中文摘要 用到实验仪器中实现便捷式采集。在此基础上研制的细胞功能分析仪将在细胞的 化学发光检测以及相关的临床应用方而具有重要的应用前景，同时开发的多元阵 列探测器系统在生物组织的光声成像以及无损检测方面有着同样的应用前景。 关键词：u s b ，l a b v l e w ，高速数据采集，光声成像，线性阵列探测器，相控 聚焦 a b s t r a c t a b s t r a c t f i r s t ，a nu s b h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r db a s e d o nt h el a b v i e w p l a t f o r m w a sd e s i g n e d c o n f o r m e dt ou s b i 1p r o t o c o l ，i tc a l ls u p p o r th i g h s p e e dd a t at r a n s f e r u pt o 1 2 m b s t h ec a r dw a sc h a r a c t e r i s t i cw i t ha n o l o gd i g i t c o n v e r t i n gw i t hh i g h s a m p l er a t eo f2 4 m s sa n dh i g h s p e e dc o u n t e r , b e l o n gt ot h i s ，i tc a ni m p l e m e n ta s c o m m o n1 0 h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec a r da r em a i n l yd i s c u s s e d ，a n dt h em e t h o d t oc a l ld l li nl a b v l e wa n dt h ew a yt od e s i g na nu s bd r i v e ra r eg i v e ni nt h i sp a p e r t h ec a r dh a sb e e na p p l i e di no u rs i n g l ep h o t o nc o u n t e rc e l lf u n c t i o n a n a l y z e rf o r a u t o m a t i cd e t e c t i o n t h i sa n a l y z e rc a nd e t e c tt h eu l t r a - w e a kl u m i n e s c e n c es e n s i t i v e l y a n d c o m p a r a b l y t h e n ，am u l t i - e l e m e n tl i n e a rt r a n s d u c e ra r r a ys y s t e mb a s e do nt h eh i g h s p e e d d a t aa c q u i s i t i o nc a r dw a sd e s i g n e da n dr e a l i z e dp h o t o a c o u s t i ci m a g i n gb yi t f i r s t l y c o m p a r e dt o o t h e r e x i s t i n gt e c h n o l o g ya n da l g o r i t h m ，t h ep ai m a g i n gb a s e do n t r a n s d u c e ra r r a yw a sc h a r a c t e r i z eb ys p e e d i n e s sa n dc o n v e n i e n c e i tc a np r o v i d ea n e wa p p r o a c hf o rt i s s u ef u n c t i o n a l i m a g i n g i n v i v o ，a n dm a yh a v ep o t e n t i a li n d e v e l o p i n g i n t oa na p p l i a n c ef o rc l i n i cd i a g n o s i s f i n a l l y , af a s tp h o t o a c o u s t i c ( p a ) i m a g i n gs y s t e ms e r i n gb a s e do nm u l t i e l e m e n t l i n e a rt r a n s d u c e ra r r a ys y s t e mw a sd e v e l o p e da n dt e s t e do nt i s s u ep h a n t o m s aq s w i t c h e dn d ：y a gl a s e ro p e r a t i n ga t5 3 2 n mw a su s e di no u re x p e r i m e n ta st h e r m a l s o u r c e t h em u l t i e l e m e n tl i n e a rt r a n s d u c e r a r r a y c o n s i s t so f3 2 0 e l e m e n t s b y p h a s e 。c o n t r o l l e dm e t h o d ，6 4s i g n a l s ，o n eo fw h i c hg a t h e r e db y11 - g r o u pe l e m e n t ， m a k eu po fa ni m a g e p h a n t o me x p e r i m e n tr e s u l t sm a p p e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h e o p t i c a la b s o r p t i o nc o r r e c t l y am a k e u po ft h em u l t i - e l e m e n tl i n e a rt r a n s d u c e ra r r a y s y s t e ma n de x p e r i m e n t a ls e t u pw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，b e s i d e st h ea p p l i c a t i o no f p h a s e c o n t r o l l e da l g o r i t h mi nm u l t i e l e m e n tt r a n s d u c e ra r r a y t h et r a n s d u c e ra r r a y a l s oc a np r o d u c ec o n v e n t i o n a lu l t r a s o u n di m a g e s i na d d i t i o n ，p h o t o a c o u s t i ci m a g i n g c o m b i n i n g u l t r a s o n i c i m a g i n gw a sd e v e l o p e da n dt e s t e d ，w h i c h p r o v i d e d m o r e i n f o r m a t i o nf o rb i o l o g i c a lt i s s u ef u n c t i o n a li m a g i n g i na d d i t i o n ，a f f e c t i o nf o ri m a g i n g v 垒! ! 型! ! o fd i f f e r e n t f r e q u e n c y b a n dp aw a sd i s c u s s e d w h e n t h e f r e q u e n c yr a n g e o f t r a n s d u c e r sa c c o r d st ot h a to fa b s o r b e r s ，a l m o s tw h o l ef r e q u e n c yc o m p o n e n to f p h o t o a c o u s t i cp r e s s u r ec a nb ed e t e c t e d t h a t r e s u l t si ng o o dr e c o n s t r u c t e di m a g e s s o t h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r su s e dt od e t e c tp h o t o a c o u s t i cp r e s s u r e ss h o u l db ed e s i g n e d a n ds e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ef r e q u e n c yr a n g e so f a b s o r b e r s i nc o n c l u s i o n ，f a s ta c q u i s i t i o nf o ra n o l o ga n dd i g i t a ls i g n a l sw a s r e a l i z e db yu s b i n t e r f a c et e c h n o l o g y , a n dw a sa p p l i e di ne x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t s t h ec e l l f u n c t i o n a n a l y z e r b a s e do nt h eu s bd a t aa c q u i s i t i o nc a r dw i l la p p l yi nt h ed e t e c t i o no f t h ec e l l l u m i n e s c e n c ea n ds o m ec o r r e l a t e dc l i n i c a la s s a yw i d e l y , a n dt h e m u l t i - e l e m e n t t r a n s d u c e ra r r a ys y s t e mb a s e do nt h es a m ec a r dh a st h es a m ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n a p p r o a c hi nt h eb i o l o g i c a lt i s s u ep h o t o a c o u s t i ci m a g i n g a n dn o n i n v a s i v ed e t e c t o r k e yw o r d s ：u s b ，l a b v i e w , h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n ，p h o t o a c o u s t i ci m a g i n g ， l i n e a rt r a n s d u c e ra r r a y , p h a s e - c o n t r o l l e dm e t h o d v i 第一章序论 第一章序论 1 1 课题研究的目的及意义 在工业生产和科研的各行业，常常利用p c 或工控机列各种数据进行采集。 这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。现 在常用的采集方式是数据采集板卡，常用的有a d 卡以及4 2 2 、4 8 5 等总线板卡。 采用板卡不仅安装麻烦，容易受机箱内环境的干扰，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挂接很多设备。而通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，简称u s b ) 的出现1 1 】，很好地解决了以上这些冲突，能够很容易地实现低 成本、高可靠性、多点的数据采集系统。u s b 具有速度快( 最高传输速度达 4 8 0 m b s ) 、设备安装和配置容易、易于扩展、能够采用总线供电、使用灵活等 主要优点口】，使得u s b 数据采集卡在便捷式设备中得到广泛的应用。i ；1 前绝大 多数的p c 机以及操作系统都支持u s b l 1 协议，因此研究开发基于u s b l 1 的 高速采集卡具有较高的实用价值。由于u s b l 1 的传输速度限制，此高速采集卡 虽然能做到较高的采样率，但不能提供实时传输，因此适合应用到采样率要求高， 事件触发后一段有限时间长度的有效数据的场合，比如光声成像，需要的是激光 照射后较短的一段时间内的光声信号( 时间长短与样品的大小及声源到探测器的 距离以及声波在介质中的传播速度有关) 。 近年来，光声层析成像技术的研究受到越来越多的关注【4 0 利用光声信号实 现生物组织的层析成像，因为不同位置的吸收体产生的光声信号能通过一定的算 法重建出来。由于光声信号携带了其内部丰富的特征信息，可以用来判断和甄别 其内部的状况，这种方法与传统的超声探测或x 影像方法相比，它可以区分声 阻抗或者x 射线的吸收相同而光学参数不同的待测样品，这一点对早期的病变 组织特别重要，因为早期的病变组织的( 例如乳腺癌) 声阻抗和x 射线的吸收 特性和周围正常组织没有明显的差异，但是由于病变组织的代谢比周围的正常组 织有很大的差异口 ；例如，早期癌变组织周围的毛细血管就l g i l z 常组织要丰富得 多，而且血氧含量高，这就导致它与周围正常组织的光学特性有较大差异，利用 光声信号就可以根据生物病变组织和正常组织的代谢功能差异来成像，从而可做 出诊断，提高诊断的准确度；但是由于生物组织很复杂，对生物组织中光声信号 第一章序论 的精确测量是对其特征进行分析、诊断和成像的前提。目前一般用单探测器测量 样品内传出的光声信号；这样得到的信号一般是体声场的各个发声点产生的信号 在测量点的叠加，因此再重建被测体内光声图像或判断其内部确切点的信号比较 困难，需要多点测量和复杂的算法处理数据，计算量非常大；而且对于生物组织 的应用而言，由于它是光的强散射体，入射的激光很快发散，加上生物组织一般 不是各向同性的光学和声学体，因此激光产生的声场以及声场的反射、透射和吸 收都很复杂，很难得到各个点的确切光声信号，因此简化测量信号是应用的关键 问题之一。 本课题组自行设计开发了基于多元线性阵列探测器的光声成像装置，采用多 元阵列探测器利用相控聚焦有选择性的采集信号，重建的图像能够正确的反应样 品的光吸收分布，该装置具有速度快、方便、简单易操作等特点，利用该成像装 置不仅可以对生物组织的光声成像，而且可以对生物组织提供传统的超声成像， 两种成像的结合可以为生物组织提供更多的信息。对于这种结合的优点有：第一， 能够同时获得被测样品的声阻抗和光吸收特性的断层图像，提供了两方面的信 息：第二，通过多元的相控聚焦的方法成像，不需要复杂的算法，有望实现实时 的超声和光声成像；第三，对病变组织如肿瘤的检测可以利用超声的快速成像的 优点迅速找到可疑部位，使激发光源尽可能的接近可疑区域，从而提高光声成像 的效率。此装置有望发展成为一种低成本的实用的临床诊断装置，具有较强的应 用价值和应用前景。 1 2 本研究领域的发展及现状 计算机接口有很多种，其中最常见的接口技术便是r s 2 3 2 串口技术，但这 种接口速度慢，对于某些大数据量和要求快速实时记录的试验就显得无能为力 了。其他特殊接口有些也可以得到数据传输方面的要求，但由于很多接口都需要 独立的板卡插在计算机内的扩展槽上与计算机通信，这样使得非专业人员对操作 繁琐的仪器望而却步。而u s b 作为一种新兴的接口技术【3 】加上它即插即用、 支持热插拔以及相对较高的数据传输速度等特点，使得它成为了扩展计算机功 能、与实现计算机仪器相结合的最佳选择。目前得数据采集卡多半采用u s b l 1 传输协议的芯片，最高传输速率限制为1 2 m b s ，要做到实时采样传输，采样率 第一章序论 一般不高于l m s s ，而目前还没有采用u s b 2 1 协议的数据采集卡。而对于采样 率要求高，事件触发后一段有限时间长度的有效数据的场合完全町以通过满足 u s b l 】协议芯片实现。 光声成像近年来在成像装置和成像方法卜有了很大的发展，守问博州i 变换 的钳法成像，滤波反投澎算法成像，j 格透镜成像都能获得了样品的。一：维先声鬈耖i 成像i 斓，但是对丁这些光声层析成像中对光声信号的探测都采用的是单个的宽带 换能器，并采用旋转接受成像，虽然这种成像结果也能够反映生物组织的光吸收 分布，但是其实验装置复杂，采集数据时间长，结果受硬件因素影响较大，而且 这种方法的成像算法复杂，计算量大，成像耗费的时间长，很难应用于实际。利 用多元阵列电子扫描探测器将是一个发展的方向。 1 3 本课题的内容和重点 本课题设计了一高速采集卡，此卡应用于超微弱发光单光子计数细胞功能分 析仪，通过利用光电倍增管结合u s b 技术实现数据采集，并利用l a b v i e w 软 件开发平台，实现全程自动化测量。利用此卡开发出一套基于多元线性阵列探测 器的光声成像系统，并结合相控聚焦方法首次实现了基于阵列探测器的快速光声 成像，对部分模拟样品进行了实验并得到了较好的结果。 本课题的重点在于高速采集卡的设计和开发，对超声探头进行电路的改装， 以及利用改装的超声探头实现多元线性阵列探测器的快速光声成像。 本课题的难点在于u s b 高速数据采集卡的设计开发以及此卡的l a b v i e w 驱动实现、高速采集卡电路板的制作，还有对超声探头的电路的改装等。目前此 卡的数字输入输出功能和计数功能已经提前完成并得到具体的应用，但是高速采 集功能部分做成产品还需要一段时间。 第二章u s b 棘理及其开发平台 第二章u s b 原理及其开发平台 2 1u s b 的产生与应用发展 随着计算机技术的飞速发展，个人计算和t ( p c ) 在科研、军事、商业以及我们 的日常生活中发挥着越来越重要的作用f ”。尽管如此，但p c 的外延式功能扩展 仍受到一些硬件资源( i o 口地址、内存、中断、d m a ) f l 铲重制约。因为在对p c 进行功能扩展时，原则上每+ 个外设必须插在一个接口上，如果所有的接口均被 用上，就只能通过添加插卡来增加接口，但p c 内部可增加捅卡的数量受到插槽 数目的限制。由于p c 的标准接口有限，所以目前对p c 进行功能扩展的一种常 用方法是增加功能接口卡，但扩展接u 卡仍存在以下几个问题：第一、接口卡在 插拔过程中必须停机，并且需打开p c 箱进行安装和拆卸，这个过程需要一定层 次的技术支持；第二、接口插卡设备驱动程序的安装、调试直至正常运行的过程 需要各种技术的支持，特别是接口卡作为一种硬件设各插入p c 后，总要占用p c 的各种硬件资源，即插即用算法虽然解决大部分的资源配置问题，但不能保证全 部解决。因此，其安装和配置过程仍需要人工干预，而扩展插卡较多时，常会出 现块或多块插卡因无法合理配置而不能正常工作的情况，严重时还可能导致系 统的崩溃；第三、接口插卡的质量高低，兼容性和标准化的程度以及驱动软件的 可靠性将直接影响计算机的寿命和系统的稳定性、可靠性；第四、对象笔记本电 脑之类的小体积p c 很难用接口插卡进行功能扩展；第五、当接口卡不是全数字 化时，p c 插槽中的各种接口卡受到p c 内部很强的电磁辐射干扰使性能受到很 大影响。 那么，当把外设连接到p c 上对其进行功能扩展时，能不能简单到用户只需 拿起外设的接线，把插线插入接口中就行了呢? 答案是肯定的。人们要通过开发 一项新的技术来实现上述要求，通用串行总线( u s b ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 就这样诞生了。 u s b i 0 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 规范是以i n t e l 为主，并由康柏、 微软、i b m 、d e c 以及日本n e c 等几家公司共同制定的串行接口规格。1 9 9 5 年 1 1 月制定了第一个规范f 2 】，使计算机与外设之间的通讯速率达到1 5 - 1 2 m b d s 。 1 9 9 7 年开始出现了真正符合u s b 技术标准的外设。u s b l 1 是目前推出的支持 u s b 的计算机与外设上普遍采用的标准。在1 9 9 9 年2 月2 3 日的i n t e l 开发者 第二章u s b 原理及其开发平台 论坛大会上，介绍了u s b 2 0 规范，增加了惠普、郎讯和飞利浦三个新的成员， 向下兼容u s b i 1 ，数据的传输率达到1 2 0 2 4 0 m b p s ，为大数据量高速实时传输 提供了强有力的通讯方式，预备支持宽带数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机 及存储设备。目前市场上销售的计算机大都带有u s b 接口，新的主板带支持 u s b 2 0 协议。因为u s b 传输速度快，使用方便等特点，各种计算机外设都配了 u s b 接口，使其更具竞争力。 u s b 技术9 1 的提出是基于采用通用连接技术实现外设的简单快速连接，达 到方便用户，降低成本，扩展p c 连接外设范围的目的，使p c 的功能扩展变得 非常简便，并且能最大程度地降低用户对计算机技术的需求，使所有的外设均成 为所谓的“傻瓜”式设备。u s b 技术具有开放性，是非赢利性的规范，得到了 广泛的工业支持。它在数字图象、电话语音合成、交互式多媒体、消费电子产品 等领域得到了广泛的应用。现在u s b 技术已经成为了p c 应用的主流技术之一， 所有新生产的p c 都有u s b 接口，支持u s b i 1 和u s b 2 0 传输协议。 2 2 u s b 总线规范概况 通用串行总线( u s b ) 是种让用户通过公用电缆腱接器很容易地将外设连 接到计算机上的通信结构口o 。2 ”。只要是u s b 型接口的外设一概可以连接到计算 机的u s b 总线上。 u s b 系统由u s b 主机( h o s t ) 、集线器( h u b ) 、连接电缆、u s b 外设组成， 其连接方式如图2 l 所示。集线器( h u b ) 是为多个u s b 外设提供接口的，它 以主仆的方式实施外设的管理。集线器可由自己提供电源或从主机获得电源。通 过u s b 集线器，u s b 端口非常容易扩展，真正实现多个外设共用一个接口。 u s b 技术的应用是计算机外设连接技术的重大变革。u s b 接口标准属于中 低速的传输界面，面向家庭与小型办公领域的中低设备，目的是在统一的u s b 接e l 上实现中低速外设的通用连接。u s b 的定义借助目前所有成熟的网络技术， 并在此基础上进行合理的简化，以达到简单实用的目的和最佳的性能价格比。 u s b 是一种同步串行半双工传输总线，目前的数传率高达4 8 0 m b p s ，比串1 3 快 4 0 0 0 倍，比标准并1 ：3 快4 0 0 倍，它能很好地满足视频图像的实时传输要求，u s b 采用差分传输方式，具有很高的传输可靠性。与扩展插卡相比，u s b 设备不占 第二章u s b 原理及其开发平台 用p c 的硬件资源( 如i o 地址、内存、中断、d m a 等) ，设备的控制、管理和 信息交换完全是由系统按u s b 进行传输的，凼此具有很高的可靠性和兼容性， 不存在因设备占用资源引起冲突而导致系统紊乱的问题。为适应外设的多样性， u s b 提供四种数据传送类型：控制、中断、同步和块传输。u s b 的所有信息按 包传送，具有满足设备各种控制管理和数据传输的多种信息包格式，包中的数据 有效载荷町达1 0 2 4 字节。u s b 允许系统自动地优化外设间的数据传输，町以对 未经压缩的数字图象进行实时传送，也可以实现主机与外设、消费电子产品与外 设之间( 象数码相机与打印机之间) 的直接数据传送。 集线器集线器主机集 功能块功能块功能块功能块功能块集线器 图2 1u s b 设备的连接方式 u s b 在主机与接入的u s b 设备之间提供通信服务。图2 - 2 给出了u s b 的数 据流模型，说明了系统的不同分层是怎样协调工作的。 其中，需要关注的有四个领域： a u s b 物理设备：执行一些有用的终端用户功能的硬件； b 客户软件：在主机上执行的对应一个u s b 设备的软件： c ，u s b 系统软件：在特定的操作系统中支持u s b 的软件，通常由操作系统来 提供，而与特定的u s b 设备或客户软件无关： d u s b 主控制器：在主机一侧的总线接口，是允许u s b 设备接入主机的硬件 和软件。 第二章u s b 原理及其开发平台 物理通信数据流 逻辑通信数据流 图2 - 2u s b 的数据流模型 功能层 u s b 设备器 u s b 总线接口 一个主机和一个u s b 设备之间的简单连接需要一些分层和实体之间的交互。 u s b 总线接口层为主机和设备提供了物理的信令分组连接。u s b 设备层是u s l 3 系统软件中用于对一个u s b 设备执行通常的u s b 操作的部分。而功能层通过一个 适当匹配的客户软件层向主机提供一些附加的功能。对于u s b 设备和功能层而 言，这两层都有其层间的逻辑通信，而这种逻辑通信实际是通过u s b 总线接口层 来完成其数据传输的。 u s b 为主机上的软件和客户的u s b 功能模块之间提供了通信服务。功能模 块会对通信流有不同的要求，需要不同的客户来实现相互作用。通过允许将不同 的u s b 功能模块的同步通信流分离开来，u s b 提供了更好的整体总线利用率。 每一个通信流都要使用某一总线访问来完成客户和功能模块之间的通信，并且终 止于设备上的某一个端点。设备端点用于区别任意的通信流。这就是u s b 的数 据流模型。 因为支持热插拔，u s b 设备都具有枚举过程，而e z u s b 芯片的枚举与再 枚举过程是独一无二的。在接通电源，主机列举之前，u s b 内核试图从1 2 c 接1 ：3 的一个串行e e p r o m 读取一个字节。这个结果告诉内核下一步该做什么：使用 第一章u s b 原理及其开发平台 默认模式：根据e e p r o m 字节识别设备；还是从e e p r o m 调用固件。 a 默认模式 如果内核没有检测到e e p r o m ，或者如果读取的第一个字节不是b oh 或 b 2 h ，那么内核不会从e e p r o m 读取数据。这是操作的最基本模式，即枚举再 枚举的过程，可概括为以下几个步骤： l 、主机检测设备插入，查询其j d ； 2 、u s b 内核响应主机请求，以一缺省( 固定) i d 应答； 3 、主机根据i d ，寻找一个匹配的i n f 文件，装载用户的l o a d e r d r i v e r ，该 d r i v e r 完成8 0 5 1 程序固件代码的装载； 4 、l o a d e r d r i v e r 把8 0 5 1 从r e s e t 状态释放从行其程序代码； 5 、电子模拟断连，主机卸载l o a d e r d r i v e r ； 6 、重新连接到主杌，由8 0 5 l 接管控制权； 7 、主机查询l d ，并根据此i d 安装客户驱动程序； b 根据e e p r o m 识别设备 如果从e e p r o m 读取的第一个值是b o l l ，则内核读取包括芯片的产品、版 本、和设备i d 的e e p r o m 字节。当主机第一次列举设备时，它会使用这些字 节寻找匹配的i n f 文件，选择合适的驱动，下载相应的固件。 c 从e e p r o m 调用固件 如果从e e p r o m 读取的第一个值是b 2 h ，则内核把e e p r o m 整个内容调 入r a m 。这些内容必须包括供应商和产品i d ，以及所有列举需要的描述符和设 备进行u s b 通信所需要的其他代码和数据。当主机枚举设备时启将读取储存的 描述符并调用合适的驱动。没有再枚举过程。 2 3 u s b 设备的优点 u s b 同其它的总线比较有以下一些显著特点 3 q 9 ： l 、传输速率高。支持1 5 - 1 2 m b p s ( 2 0 版本更支持高达】2 0 - 2 4 0 m b p s 的传输 速率) ，该速率与一个标准的并行端口相比，也快出近】0 倍，足以满足1 二业现场 提出的高速传输应用的要求。 2 、自由度连接，拓扑结构。对端口加以扩展，最多可在一台计算机上同时支 第二章 u s b 原理及其开发平台 持1 2 7 种设备，而不会受到p c 上插槽的个数的限制。这与传统的扩展插卡相比， 不占用p c 的硬件资源( 如i 0 地址、内存、中断、d m a 等) 。主机和u s b 设备 之间是树形拓扑结构。这使得外设的扩展有了更大的自由度。 3 、支持热插拔即插即用。u s b 方法是真正做到了即插即用( 热插拔) 的外设 扩展法。安装u s b 设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备完全不用关闭计 算机。所有u s b 设备支持热插拔，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了过去的 跳线和拨码开关设置。 4 、内置电源供给，无需外接电源。u s b 电源能向低压设备提供5 v 、5 0 0 m a ( 最 大) 电源。因此，对工业现场中使用的小功率接入设备如光栅尺、球栅尺等则无 须使用单独电源供电，这样可以降低这些设备的成本并提高性价比。 5 、根据不同应用场合支持多种传输模式。u s b 提供了四种传输模式：控制 信息传输、中断数据传输、批量数据传输、同步传输，以适应不同的传输目的， 具有极强的通用性。 正是由于上述突出的特点，u s b 设备在p c 外设的拓展方面有广泛的应用背 景。 6 、u s b 的应用领域广【2 4 虽然早在1 9 9 7 年，i n t e l 4 4 0 l x 芯片组就提供了u s b 功能，但由于当时支持 u s b 的设备极少，这一技术并没有引起用户过多的关注。时至今日，支持u s b 的设备数量已经相当可观，u s b 接口的种种优势正在逐步地显示出来，在p c 9 9 规范中，u s b 已经是个人电脑的标准设备之一。u s b 技术正在不断地发展和完 善，因而支持u s b 技术的外设也在不断她涌现，例如现在已经出现了u s b 键盘、 u s b 鼠标、u s b 游戏杆、u s b 调制解调器、u s b 显示器、u s b 视频相机和输入 设备、u s b 扫描仪、u s b 打印机、u s b 音响、u s b 集线器、u s b 声卡、u s b 软驱、u s b 网卡、u s b 转接设备等等一系列的u s b 外设。可以预见，以后的主 板上将没有p s 2 、c o m 等规格不一的烦人的外设接1 2 1 ，取而代之的是数个u s b 接口，所有的外设都通过这一接口连接。 2 4 u s b 产品驱动程序设计 设备驱动是保证应用程序访问硬件设备的软件组件，一个设备驱动程序使得 第二章u s b 原理及其开发平台 应用程序不必知道物理连接、信号与一个设备通信需要的协议等细节。应用程序 可以使用一套操作系统支持的函数与设备驱动进行通信。结构如下图2 3 所示： |应用程序 ? w i n 3 2 a p i iw i n 3 2 子系统 十i o 请求包 士 l硬件设备驱动 l ? 1 o 请求1 l总线驱动 十硬件专用扫 + l硬件 图2 - 3w i n d o w s 驱动程序体系结构 用户 模式 内核 模式 u s b 通信使用分层驱动模型，每层处理一部分通信过程，这样可以使不同 的设备在一些任务上使用相同的驱动。 每个应用程序和驱动使用自己的语言与操作系统通信。应用程序使用w i n 3 2 a p i 函数。驱动通信使用称为i o 请求包( i r p ) 的结构。w i n d o w s 定义了一套驱 动可以使用的i r p 。在一系列的通信中，最终的总线直接驱动硬件。 设备驱动使得应用程序通过使用a p i 函数来与u s b 设备对话。总线驱动是由 根集线器驱动( u s b h u b s y s ) 、总线类驱动( u s b d s y s ) 和主机控制器驱动 ( u h c i s y s 或o p e n h c i s y s ) 所组成，其驱动程序体系结构如上图2 - 4 所示。总 线驱动是w i n d o w s 的一部分，应用程序和设备驱动的开发者不需要知道工作的具 体细节。 第_ 章u s b 原理及其开发平台 客户软件客户软件 j上 根集线器驱动程序 上 lu s b 驱动程序( u s b 。) 0上 u h c d o p e n h c l r p c i 枚举器 u s b 总线 图2 - 4u s b 驱动程序体系结构 2 5 本章小结 本章首先从u s b 的产生与发展、u s b 总线规范、u s b 的特点、u s b 的应用 领域、u s b 产品开发和驱动程序设计五个方面对u s b 的概况做了初步的介绍， 并在此基础上结合本文的开发系统及产品用途对c y p r e s s 公司的e z 。u s b 从其芯 片的结构框图、存储结构、枚举与重枚举、批量传输机制几个方面做了详细的描 述。本章介绍了关于u s b 和e z - u s b 的一些基本概念，是u s b 数据采集卡实现 的基础。 第三章l a b v i e w 编程技术 第三章l a b v i e w 编程技术 3 1l a b v l e w 编程语言概述 l a b v l e w 是一个具有革命性的图形化开发环境n 它内置信号采集、测量 分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，提供强人功能的同时还保 证了系统灵活性。l a b v i e w 将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一 个环境中，让您可以在自己的平台上无缝地集成一套完整的应用方案。从数据采 集到仪器控制，图像采集到运动控制，l a b v i e w 都可以为您提供各种工具以迅 速完成数据采集系统的开发。采集到原始数据通常都不是测量与自动化应用的最 终结果。所以功能强大且简单易用的分析工具足您的软件应用系统必不可少的一 部分。l a b v i e w 内带4 0 0 多个分析处理工具，专门用于从采集到的原始数据中 提取有用的信息，或用于测量数据分析并进行信号处理。诸如快速傅立叶变换 ( f f t ) 与频率分析、信号发生、数学运算、曲线拟和、数据差补及时频分析等 工具的强大功能让您可以从原始数据中获得有意义的信息。数据湿示部分根据不 同功能分成几个不同的方面饔数据显示、报告生成、数据库管理与联接。 l a b v i e w 提供一组完整的工具帮您轻而易举地完成数据显示工作。 l a b v i e w 是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组 建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计2 1 。l a b v l e w 与v i s u a l c h 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v l 等编程语言不同，后者采用的是基于文本 语言的程序代码( c o d e ) ，而l a b v i e w 则是使用图形化程序设计语言g ( g r a p h i c ) ， 用框图代替了传统的程序代码。l a b v i e w 所运用的设备图标与科学家、工程师 们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。 l a b v i e w 程序被称为虚拟仪器( v l s ) ，是因为它们的外观和操作能模仿实际的 仪器。由于l a b v i e w 所使用的术语、图标和概念都是技术人员、科学家、工程 师所熟悉的，故而即使用户没有多少编程经验，同样也能利用l a b v i e w 来开发 自己的应用程序。 l a b v i e w 提供了三个模板来编辑虚拟仪器：工具模板( t o o l sp a l e t t e s ) 、控 制模板( c o n t r o l sp a l e t t e s ) 、功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e s ) 。工具模板提供用于 图形操作的各种工具，诸如移动，选取，设置卷标、断点，文字输入等等。控制 模板则提供所有用于前面板编辑的控制和显示对象的图标以及一些特殊的图形。 第三章l a b v i e w 编程技术 功能模板包含一些基本的功能函数，也包含一些已做好的子仪器。这些子仪器能 实现一些基本的信号处理功能，具有普遍性。其中控制、功能模板都有预留端， 用户可将自己制做的子仪器图标放入其中，便于曰后在其他程序中调用。 l a b v i e w 包含有专门用于设计数据采集程序【3 卅和仪器控制程序o 】的函数 库和开发工具库。l a b v l e w 的程序设计文质上就是设计一个个的“虚拟仪器”， 即“v j ”。在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面版( f r o n t p a n e l ) ；在后台则是利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程 序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。一般 来说，每一个v i 都可以被其他v i 调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套； 而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受任何限制的。 l a b v i e w 的核心是v 】。v i 有一个人机对话的用户界面前面板( f r o n t p a n e l ) 和相当于源代码功能的框图程序( d i a g r a m ) 。前面板接受来自框图程序 的指令。在v l 的前面板中，控件( c o n t r o l s ) 模拟了仪器的输入装置并把数据提 供给v l 的框图程序；而指示器( i n d i c a t o r s ) 则是模拟了仪器的输出装置并显示 由框图程序获得或产生的数据。当把一个控件或指示器放置到前面板上时， l a b v i e w 便在框图程序中相应的产生了一个终端( t e r m i n a l s ) ，这个从属于控件 或指示器的终端= _ 1 = 能随意的被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才会随 之一起被删除。 l a b v i e w 是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了 用于g p i b 设备控制、v x i 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和 存储的应用程序模块。它还涵盖了数据采集卡等硬件通讯的全部功能。内置了便 于t c p i p 、a e t i v e x 等软件标准的库函数。虽然l a b v i e w 是一个通用编程系统， 但是它也包含为数据采集和仪器控制特别设计的函数库和开发工具。l a b v l e w 可方便的调用w i n d o w s 动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数： l a b v i e w 还提供了c i n ( ci n t e r f a c en o d e ) 节点使得用