（光学工程专业论文）usb总线在激光粒度测试仪中的应用研究.pdf

摘要 摘要 粒度测试是指通过特定的仪器和方法表征颗粒粒度特性。所谓颗粒，通常指 尺寸在毫米到微米之间的微小固体、液体或气体，比如金属粉末、食品、树脂、 药品、颜料、水泥、陶瓷、粘土、催化剂以及其它无机材料等等。客观真实地反 映颗粒大小和粒度分布是一项非常重要的工作。激光散射法粒度测试仪在固定波 长下，通过探测粒子场在前向某个小角度范围内的相对散射光能而得到粒子的尺 寸分布信息。 目前，天津大学l s a i l l 型激光粒度测试仪所采用的是3 2 环光电探测器，数 据采集系统有基于i s a 总线和p c i 总线及u s b i 1 总线。为提高系统的普遍适用 性，提高粒度测量范围，提升粒度测试数据采集的传输速率，本课题采用7 6 环 光电探测器，并用专用接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 实现u s b 2 0 总线接口电路的设计， 充分利用u s b 总线的即插即用、热插拔等特点，为激光粒度测试数据的实时采集、 显示和处理提供可靠的保证。 本论文的主要工作： 1 在充分了解c y 7 c 6 8 0 1 3 等元器件的知识基础上，设计基于u s b 2 0 总线的激 光粒度测试仪数据采集硬件系统。 2 用g p i fd e s i g n e r 实用程序设计了g p i f 波形，实现激光粒度测试仪数据到 u s b 存储器的单读传输。 3 编制k e i lu v i s i o n 2 下的c 5 1 固件程序。 4 编制w i n 2 0 0 0 操作系统下的w d m 设备驱动程序。 5 在原软件基础上编写了适用于7 6 环探测器和u s b2 0 总线下的激光粒度测 试软件l s a ，并进行了数据采集处理试验，得到了满意的结果。 关键词：激光粒度仪，u s b 总线，枚举，g p i f ，w d m 驱动程序 a b s t r a c t a b s t r a c t m e a s u r i n gp a r t i c l es i z ei st oe x h i b i tt h ep a r t i c l es i z ec h a r a c t e r i s t i c sv i as p e c i a l i n s t r u m e n t sa n dm e t h o d s p a r t i c l eu s u a l l yr e f e r st om i c r os o l i d ，l i q u i d , o rg a sm a t e r i a l w h o s es i z ei sb e t w e e ns e v e r a lm i l l i m e t e r sa n dc e r t a i nm i c r o n s ，s u c ha s ，m e t a lp o w d e r , f o o d , r e s i n ，p h a r m a c e u t i c a l ，p i g m e n t ，c e m e n t ，p o t t e r y , c l a y , c a t a l y z e ra n do t h e r i n o r g a n i cm a t e r i a l ，e t e i ti s s oi m p o r t a n tt or e f l e c tp a r t i c l es i z ea n dd i s t r i b u t i o n o b j e c t i v e l ya n da c t u a l l y t h el a s e rp a r t i c l e s i z e rm a yo b t a i nt h ei n f o r m a t i o no f p a r t i c l es i z ea n dd i s t r i b u t i o nb yd e t e c t i n gt h er e l a t i v ee n e r g ys c a t t e r e db y t h ep a r t i c l e s , w i t ht h ef i x e dw a v e l e n g t h a tp r e s e n t ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi nt h el s a i l ll a s e rp a r t i c l es i z e r d e v e l o p e db yt i a n j i nu n i v e r s i t yi s b a s e do ni s a ，p c i ，u s b l 1b u s ，u s i n ga l l o p t o e l e e t r i cd e t e c t o ro f3 6r i n g s i no r d e rt oi m p r o v et h em e a s u r er a n g ea n dt h e t r a n s f e rs p e e do ft h i ss y s t e m t h i sp r o j e c ti m p l e m e n t st h ed e s i g no fi n t e r f a c ee a r d b a s e do nu s b 2 0b u sw i t ht h es p e c i a li n t e r f a c ec h i pc y 7 c 6 8 0 1 3 u s i n ga n o p t o e l e c t r i cd e t e c t o ro f7 6r i n g s i tu t i l i z e sf u l l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu s b b u s ，f o r e x a m p l e p l u ga n dp l a y , h o tp l u ga n ds oo n 髓es y s t e mc a nr e a l i z er e a l t i m e a c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dd i s p l a y i n go f d a t aa n dp r o v i d eag u a r a n t e ef o rt h es t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo f l a s e rp a r t i c l es i z e rm e a s u r i n gs y s t e m t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： 1 d e s i g n i n gt h ed a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r es y s t e mo fl a s e rp a r t i c l es i z e rb a s e d o i lu s b 2 0b u sa f t e rk n o w i n gw e l ls u c hc o m p o n e n t su sc y 7 c 6 8 0 1 3 2 d e s i g n i n gg p i fw a v e f o r m sv i ag p i fd e s i g n e ru t i l i t y , r e a l i z i n gs i n g l e - r e a d t r a n s a c t i o no f d a t af r o mt h el a s e rp a r t i c l es i z e rt ot h eu s b m e m o r y 3 p r o g r a m m i n gt h eu s bf i r m w a r eu n d e rt h eu t i l i t yo f k e i lu v i s i o n 2 4 p r o g r a m m i n gt h eu s b d e v i c ed r i v e ru n d e rt h eo p e r a t i n gs y s t e mo f w i n 2 0 0 0 5 i m p r o v i n gt h el s as o f t w a r ep a c k a g ea n dc o m p l e t i n gt h ee x p e r i m e n to f r e a l t i m ea c q u i s i t i o na n dd i s p l a y i n go f d a t ab yu s i n gt h en e wl a s e rp a r t i c l es i z e m e a s u r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：l a s e rp a r t i c l es i z e r , u s bb u s ，e n u m e r a t i o n ，g p i f ，w d m d r i v e r 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 瓣毫 签字日期： j 一口 年，月，2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：z 赫青、导师签名： 于车另格 签字日期：妒年，月，二日 签字日期：y 吒年f 月，多日 第一章绪论 1 1 激光粒度测试概述 第一章绪论 随着现代科学技术的日益发展，在国民生产的许多部门，如化工、石油、冶 金、建材、陶瓷、制药、水泥、涂料、军工等领域中都出现了越来越多的与微小 颗粒( 包括固体颗粒和液滴) 密切相关的技术问题，其中，颗粒尺寸及其分布的 测量是非常重要的一个方面。固体颗粒的粒度及其分布，是粉体材料的重要物理 特性，是粉体制备和应用领域所必须的前提条件。所谓微粒( 颗粒、粒子) 通常 指处于分割状态下的尺寸在毫米以下以至微米级的微小固体、液体、或气体的颗 粒。比如金属粉末、乳化物、食品、树脂、药品、颜料、水泥、海洋沉积物、 陶瓷、粘土、催化剂以及其他无机材料等等。颗粒的大小称为粒度，不同大小的 颗粒占全部颗粒的份额叫做粒度分布。在很多情况下，颗粒尺寸的大小不仅影响 到产品的性能与质量，而且和优化工艺过程，降低能源消耗，减少环境污染有着 密切的关系。近几年，由于与高新技术，国防工业等密切相关的新型颗粒材料， 特别是超细纳米材料的问世与应用，因此更给颗粒测量提出新的要求。 例如，在水泥生产过程中对产品的粒度进行同步测量，达到及时调整生产程 序的目的，大大提高了生产效率。在许多工程技术及研究工作中，人们会遇到液 体喷雾及固体颗粒的特征和运动的问题。在能源及燃烧工程技术领域里，液体燃 料雾化质量的优劣，直接影响燃烧性能，如燃料的蒸发、点火的能量、火焰的长 度、火焰的稳定性等等。工业用的煤粉的燃烧，也遇到类似的问题。煤粉颗粒的 平均尺寸一般约为5 0 微米左右，煤粉颗粒以及灰粉粒子的尺寸，和灰粉的沉积 结渣之间的关系是一个重要的问题。在其他工业方面，颗粒尺寸与过滤作用以及 化学反应等有密切关系。在粉末冶金中，金属颗粒的生产以及其烧结质量，都与 金属颗粒尺寸有关。粉末颗粒尺寸对其他粉末体的性能，如水泥的性能、药物的 效力以及食品的味道等等，都有很大的影响。在灭火材料方面，喷头喷出的液滴 的尺寸分布是衡量喷嘴是否合格的关键所在。由此可见，在大量的工程技术及研 究领域，测量固体颗粒以及液滴的尺寸分布特性是十分重要的【1 】 ”。 1 9 7 6 年j s w i t h e n b a n k 等人首次基于夫琅和费衍射理论，用1 5 单元的环 探测器成功实现了粒度的激光测量1 3 j 。此后出现了多波长光散射法【4 】、动态光散 射法【5 】、光透消光法【6 】、激光断层法和联合变换相关法7 1 等光学测量方法。目前 应用最广泛的是基于粒子的m i e 散射和夫琅和费原理的激光粒度仪。7 0 年代后 期，英国m a l v e r n 公司采用j s w i t h e n b a n k 的激光衍射方法推出了激光粒度仪 产品，成为国际上处于领先地位的粒度测试仪公司，主要生产m a s t e r s i z e rs 系 第一章绪论 列和m a s t e r s i z e rm i c r o 系列产品。m a s t e r s i z e rs 系列最新产品为m s 2 0 0 0 型 激光粒度仪，测量范围0 0 2 - 2 0 0 0 j 肌。此外，上世纪9 0 年代，以生产电感应 原理颗粒测量仪而闻名的美国库尔特公司也推出了激光粒度仪产品。同时，日本 的岛津公司、清新公司，德国的飞驰公司也生产激光粒度仪产品。 国内，天津大学于上世纪8 0 年代初期开始全面研究激光散射粒度测试原理 方法和技术，1 9 8 7 年完成了国家科委项目“d p - 0 1 型快速滴谱仪”的研制，这是 我国第一台基于夫琅和费衍射原理，并全部采用国产器件的激光粒度测量仪器。 近2 0 年以来，设计并研制成功了关键器件3 2 环组合硅光电探器测阵列( c o e d a ) ， 并被国内主要粒度仪企业使用；研制了c o e d a 与并行放大器的紧密封装的探测器 模块；解决了c o e d a 半自动对中机械结构；提出将改进的p r o j e c t i o n 算法用于 反演粒度分布无模式数据处理方法，解决了多峰粒子场测量难题；研究了以半导 体激光器为光源的小型化结构；实现了用光纤模块传输测量数据，为解决在线检 测问题奠定了基础；用方形孔径取代圆形孔径标准粒子板，并提出补偿方法，可 以用图形发生方式的现代光刻技术灵活制备标准粒子板；设计和研制了粒度测试 软件包；同时研究了用数字全息方法进行粒子场的测量技术等8 1 9 1p o 。此外， 上海机械学院，山东建材学院，丹东仪表研究所等单位也进行了激光粒度仪技术 的研究。基于这些研究单位的成果，目前有珠海欧美克、丹东百特、济南微纳等 公司生产激光粒度仪产品。 1 1 1 激光粒度测量的方法及原理 常用的光学测量方法大概分为摄影法和非摄影法。摄影法包括闪光摄影、激 光全息摄影及高速摄影等；非摄影法均是以激光作为入射光源，包括激光多普勒 法、干涉条纹光谱法和激光散射法等。下面着重介绍一下激光散射法的发展及原 理。 1 8 7 1 年，瑞利( l o r dr a y l e i g h ) 首先提出了著名的瑞利散射定律，并用电 子论的观点解释了光散射的本质。瑞利散射定律的适用条件是散射体的尺寸 要比光波波长小。 1 9 0 8 年，米氏( g m i e ) 通过电磁波的麦克斯韦方程，解出了一个关于光 散射的严格解，得出了任意直径，任意成分的均匀粒子的散射定律，这就是 著名的米氏理论。 1 9 5 7 年，h c v a nd eh u l s t 出版了关于微小粒子光散射的经典著作。 1 9 8 3 年，f b o h r e n ，0 r h u f f m a n 综合前人成果，发表了关于微小粒子对 光散射及吸收的一般规律，更全面地解释了光的各种散射现象。至此散射理 论的体系建立起来了。伴随着散射理论的发展和完善，基于光散射理论的粒 第一章绪论 度检测技术也在逐渐形成。 1 9 5 5 年，j h c h i n 等根据r d g u m p r e c h t 得出的弥散体散射光特性 进行了通过测量散射的角分布来获得粒子大小的试验。1 9 6 3 年，r a d o b b i n s ， j h r o b b e r t s 采用高压汞灯做光源，通过移动微光度计来获得散射光的角分布， 并成功地实现了对服从上限分布函数的喷雾液滴的索太尔直径的测量。1 9 7 7 年， j s w i t h e n b a n k 采用了十五单元的环探测器，成功的实现了粒子尺寸分布的测量。 激光散射粒度分布测试技术开始飞速发展。 激光散射法除了不接触粒子场、测试粒子尺寸范围宽、测量速度快、分辨率 高和重复性好，还具有设备简单，操作方便，数据处理迅速等优点，所以得到了 广泛应用。本文所设计的激光粒度测量系统是基于应用最为广泛的激光散射法， 图1 1 是它的基本光学模式。 激光器 扩束器粒子场傅立叶透镜 环形光电探测器 口：咏0 三l 图i - i 激光散射法测量粒子尺寸分布的基本光学模式 激光器发出的光束经扩束器后形成一平行的准直相干光束，此光束照射到待 测粒子发生散射现象。散射光的强度分布与测试区中被照射的颗粒直径和颗粒数 相关，这些参数为粒度测试提供了尺度。研究表明，就角度很小的前向散射来说， 衍射的作用仍占着优势。当散射粒子的尺寸为入射光波长的几十倍到几百倍，散 射半角小于7 度时，可用夫琅和费衍射近似。所以对散射光强的计算只考虑夫琅 和费衍射形成的散射，而对于通过粒子的几何光学折射和反射引起的散射效应， 以及由于其它原因而引起的散射都可以忽略。目前专门用于测试液体雾滴的激光 粒度测试仪就是以夫琅和费衍射理论为基础。 激光粒度测试仪使用位于傅立叶透镜焦平面上的环形光电探测器来把光能 转换为电能。探测器共有i l l 环，每环对应一个角度范围，每环收集的能量正是透 镜前具有相同角度范围的一个圆锥光线簇所发出的能量。如果把衍射图形以光轴 为中心分成n 1 个同心环带，只要测出各环上的光能量，就可建立衍射光能与粒径 之间的对应关系。若已知各环的内外半径，照射光的波长a 和接收透镜的焦距厂， 根据各环上的探测到的能量，就可以求出粒子的尺寸分布，这就是激光粒度测试 仪的理论依据。 乏 风u f 第一章绪论 1 1 2 激光粒度测试仪的基本构成 随着激光粒度测试仪走出实验室步入环境恶劣的现场( 如钢铁冶炼车间、粉 体车间等) ，就需要与之相适应的抗干扰能力更强的硬件系统。天津大学l s a i i i 型激光粒度仪主要包括发射器、接收器以及光学系统三大部分】。 发射器：采用半导体激光器作为粒度测量的光源，用于发射准直相干光均匀 照明待测粒子，照片如图1 - 2 所示。 图卜2 激光发射器图 接收器：主要是收集被测粒子场的散射光信号，实现数据采集，并将采样数 据真实地传送到计算机，供软件进行数据处理，以反演迭代出粒度分布。本 文主要研究这一部分，以实现基于u s b 总线的激光粒度数据采集、传输。 光学系统：包含着粒子尺寸信息的散射光需经光学系统收集到接收器部分。 图1 3 是光学系统与接收器两部分的实物外形。 图l - 3 光学系统与接收器实物外形图 第一章绪论 1 2 数据采集和计算机总线 i 2 1 数据采集系统 图1 - 4 典型的基于p c 的数据采集( d a q ) 系统 数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集 信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、 用户自定义的测量系统。现今，在实验室研究、测试和测量以及工业自动化领域 中，绝大多数科研人员和工程师使用配有p c i 、p x i c o m p a c t p c i 、u s b 、i e e e l 3 9 4 、 i s a 、并行或串行接口的个人电脑( p c ) 采集数据。许多应用使用插入式设备采 集数据并把数据直接传送到计算机内存中，而在一些其它应用中数据采集硬件和 p c 分离，通过并行或串行接口和p c 相连。从基于p c 的数据采集系统中获取适 当的结果取决于图卜4 中的各项组成部分：传感器、信号调理、数据采集硬件、 个人电脑( p c ) 和软件。 1 2 2 计算机总线的发展 1 2 2 1i s 总线 早期p c 机的系统总线是m m 公司于1 9 8 1 年推出的基于准1 6 位机p c x t 的总线，称为p c 总线。1 9 8 4 年m 公司又推出了1 6 位p c 机p c a t ，其总线 称为a t 总线。为了能够更好的合理开发外接插板，由i n t e l 公司、i e e e 和e i s a 集团联合开发出与i b m a t 原装机总线意义相近的i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ) 总线( 因此通常我们也把8 位和8 位1 6 位兼容的a t 总线称为 i s a ) 。随着计算机主频的提高和外设速度的加快，i s a 总线的8 3 3 m b p s 的峰值 传输率和8 1 6 b i t 的数据宽度【12 】这两项关键指标成为了制约系统性能以及速度 的最大瓶颈，因此i s a 总线标准正在被逐渐淘汰。 第一章绪论 1 2 2 2p o i 总线 由于i s a 总线已经严重制约了计算机发展，因此业界于1 9 9 3 又提出了p c 的 一项新技术局部总线。局部总线是p c 体系结构的重大发展，它打破了数据 i o 的瓶颈，使高性能c p u 的功能得以充分发挥。 标准局部总线有两种：一种是1 9 9 3 年i n t e l 公司发布的p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线。目前该总线可分为p c i1 0 和p c i2 0 。p c i1 0 为3 2 位总线，时钟频率3 3 删z ，总线最大传输率为1 3 2m b s ；而p c i2 0 为6 4 位总线，时钟频率可达6 6 删z ，最大传输率2 6 4 m b s 1 3 】。另一局部总线是由v e s a 于1 9 9 2 年5 月推出的v l b u s ( v e s al o c a lb u s ) 【l ”。v l - b u s 作为3 2 位高速总线 具有1 3 2 m b s 的数据传输率，其优点是采用了开放性结构、协议简单、传输率高、 价格低廉、能支持多种硬器件。v l - b u s 的缺点也很多，其规范性、兼容性和扩 展性均较差，结构偏简单，无缓冲器，只能支持3 个外设插接板，而且有时还随 所用的c p u 和其工作频率而变。 1 。2 2 3p x l 总线 1 9 9 7 年，美国n i 公司为测试和测量应用提出了一个全新的解决方案：p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 专为测试任务而优化的 c o m p a c t p c i 。时至今日，p x i 已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台， 它的开放式构架、灵活性和p c 技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场 翻天覆地的改革。p x i 是一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化 仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性。总的来说，p x i 是一种 坚固的模块化仪器平台，它提出了基于计算机的高性能标准化测量与自动化方 案。p x i 用户自然地享有很多便利，如廉价、易用、灵活的p c 技术；开放的工 业标准以及与c o m p a c t p c i 产品的完全互用性。 1 2 2 4 串行总线 区别于以上几种并行总线，计算机还有先进的串行总线接口，主要以支持热 插拔、即插即用的u s b 和i e e e l 3 9 4 ( f i r ew i r e ) 为代表。i e e e l 3 9 4 是最高传输 速率为4 0 0 m b s 并支持d m a 的高速串行传输总线f 1 ”，其下一代标准规范支持的数 据传输率高达8 0 0 m b s ，适用于视频及音频等海量数据的高速存储设备，可实现 实时数字图像采集与显示【l ”，但是由于i e e e l 3 9 4 的使用是要支付昂贵的版权费 用的，因此在我国没有广泛的应用起来。 目前，天津大学所设计的激光粒度仪所采用的数据采集系统主要是p c i 总线 第一章绪论 接口卡。尽管p c i 总线数据传输具有许多的优点。但是由于采用了微机内部插卡 式电路结构，而在某些情况下需使用携带方便的笔记本电脑，内部插卡比较困难。 因此，为提高系统的普遍适用性，本课题利用u s b 总线设计接口电路，i j s b 电缆 线直接插入计算机主机上的i j s b 端口，内部不再插卡。下面重点介绍 i s b 总线。 1 2 30 s b 总线 随着计算机微处理器芯片性能的飞速发展，计算机逐渐在各种领域承担起各 种各样的复杂任务，伴随着这种广泛应用，随之而来的问题就是计算机本身软硬 件资源的严重不足【】”。软件方面包括操作系统对中断以及i o 口的分配；硬件方 面则是用户必须面对如何使用有限的主板插槽来合理地接口必要的适配器，而且 最大的不便就是在每一次插入或拔除板卡时，都不得不重复执行关闭机器，插入 板卡，启动机器，安装驱动，进行调试等一系列繁杂的步骤。在许多场合，敞开 的机箱，散乱地摊在工作台上的各种板卡成了专业计算机工作室的标志。 在简化p c 机外设扩充方法使之方便易行的背景下，出现了通用串行总线 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 接口技术，并在短暂的时间内获得了迅猛的发展。 1 9 9 6 年1 月，在c o m p a g 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 等多家公司的联合努力下， u s b l 0 的白皮书问世了，这是u s b 发展史上具有里程碑意义上的一页。随后经 过近两年的完善与修改工作，一个完整的、可行的u s b l 1 规范于1 9 9 8 年9 月 完成。在u s b l 1 版本中定义了两种速度u s b 的传输工作模式，低速( l o ws r e e d ) 模式的数据传输速度为1 5m b s 全速( f u l ls p e e d ) 模式使得u s b 的传输速度 峰值达到了1 2m b s 。这一版本得到了计算机业界的广泛响应，到1 9 9 9 年，u s b 已经被广泛应用。受到这一潮流的鼓舞，2 0 0 0 年4 月u s b 组织又推出了新版本 的规范1 7 s b 2 0 ，这个版本将u s b 总线的传输速度提高到了4 8 0m b s 的高速 ( h i g hs p e e d ) 模式水平。 u s b 的规范能针对不同的性能价格比要求提供多种选择，以满足不同的系 统和部件不同功能的需要f 18 1 ，其主要特性可归纳如下。 ( 1 ) 终端用户的易用性： 为电缆和连接头提供了单一模型； 电气特性与用户无关； 自检外设，自动地进行设备驱动、设置； 外设可以动态连接、动态重置。 ( 2 ) 广泛的适用性： 适应不同设备，传输速率从几k b s 到几百m b s ； 在同一线上支持同步、异步两种传输模式； 第一章绪论 支持对多个设备的同时操作； 总线能够提供5 0 0m a 的电流，使一些小耗电量设备就不必外接电源了： 可同时操作1 2 7 个物理设备； 在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流； 支持多功能的设备； 利用低层协议，提高了总线利用率。 ( 3 ) 同步传输带宽： 确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用； 同步工作可以利用整个总线带宽。 ( 4 ) 灵活性： 直接发送一系列指定大小的数据包，允许对设备缓冲器大小进行选择； 通过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传输率； 通过协议对数据流进行缓冲处理。 ( 5 ) 健壮性： 在协议中使用差错处理差错恢复机制； 完全实时热插拔； 可以对有缺陷的设备进行鉴别。 ( 6 ) 与p c 产业的一致性： 协议具有易实现性和完整性； 与p c 机的即插即用体系结构一致； 与现存操作系统有良好衔接的接口。 ( 7 ) 性价比： 以低廉的价格提供传输速率为4 8 0m b s 的子通道； 将外设和主机硬件进行了最优化的集成； 促进了低价格外设的发展； 提供廉价的电缆和连接头； 运用商业技术降低成本。 ( 8 ) 可升级性： 体系结构的可升级性支持在一个系统中同时存在多个u s b 主机控制器。 1 3 本文的研究目的和主要内容 本文的研究目的是设计基于u s b 2 0 的激光粒度测试仪数据采集和处理系 统，完成从前端的7 6 环光电探测器、放大器阵列、模拟开关阵列所得到的模拟 第一章绪论 量经过a f f d 转换成数字量，利用g p i f 单读方式把数据传送到u s b 总线控制器 的寄存器，然后再以批输入传输将数据传入主机内存中，从而实现了基于u s b 总线的粒度数据实时采集和传送，同时编写适应7 6 环光电探测器的数据处理软 件，最终实现激光粒度数据的分析和处理。 本课题开发的数据采集系统采用当前流行的u s b 2 0 总线，迎合了市场需求 的发展；各种笔记本电脑或台式电脑都可以方便地与仪器连接，彻底告别了传统 的板卡连接方式；硬件电路基本实现了小型化、高精度、全自动化和实时采集， 而其用于仪器控制和数据分析的工作软件，不仅界面变得美观、便捷，而且做到 了在m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下输出资料详实，操作简便，多种语言交互，让 用户使用起来更加得心应手。该系统不但可用于将激光粒度测试仪的多路模拟信 号采样、转换和输入计算机进行处理，而且对于解决其它光电仪器的多路数据采 集与处理问题具有同样的借鉴意义。 使用计算机实现激光粒度测试仪数据采集处理系统，设计u s b 总线接口电 路完成粒度数据的采集、转换及传输，将数据传送到计算机内存中。本文在阅读 u s b 总线协议和掌握u s b 总线控制器使用方法的基础上，用u s b 总线控制器完成 了对u s b 总线的控制和数据的采集工作，构成了以微机为核心的粒度数据处理系 统。本论文的主要工作是： 1 在充分了解c y 7 c 6 8 0 1 3 等元器件的知识基础上，设计基于u s b 2 0 总线的激 光粒度测试仪数据采集的硬件系统。 2 用g p i fd e s i g n e r 应用程序设计了g p i f 波形，实现激光粒度测试仪数据到 u s b 存储器的单读传输。 3 编制k e i lu v i s i o n 2 下的c 5 1 固件程序。 4 编制w i n 2 0 0 0 操作系统下的w d m 设备驱动程序。 5 在原软件基础上编写了适用于7 6 环探测器和u s b2 0 总线下的激光粒度测 试软件l s a ，并进行了数据采集处理试验，得到了满意的结果。 第二章基于u s b 总线的数据采集系统的硬件实现 第二章基于u s b 总线的数据采集系统的硬件实现 本章首先介绍u s b 协议和e z _ u s bf x 2 ( c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 控制器，然后阐述基 于u s b 总线的激光粒度测试仪数据采集系统的工作原理和整体结构以及系统各 个部分的功能；结合本采集系统的p c b 设计，讨论了在实际的高速数字电路设 计中的电源分配等事宜。 2 1u s b 2 0 规范概述 2 1 1u s b 总线体系结构 一个完整的u s b 总线系统可以分为三部分：u s b 总线的主机h o s t 、u s b 总线 的设备d e v i c e 以及它们之间的互连。 在任何u s b 总线系统中，只能有一个主机。主机系统中提供u s b 总线接口驱 动的模块称为u s b 总线主机控制器。主机系统中整合有u s b 总线的根集线器，通 过次级的集线器则可以连接更多的外设。主机与外设进行通信时，始终占据着主 动的地位，也就是在处理主机与设备间的通信时，所有的请求数据与控制信号都 能够而且只能被主机响应后才能实现其功能，u s b 设备之间不能做直接的数据交 换。对u s b 系统而言，主机最主要的功能便是对数据总线的管理。 u s b 总线设备可以分为网络集线器和功能外设两大类。只有集线器可以提供 更多的u s b 总线的连接点，外设为主机提供了具体的功能。一般所说的u s b 总线 外部设备都属于功能外设类。按严格意义上，都应该将u s b 总线外部设备划分为 两大部分，即接口部分和设备部分。接口部分也就是u s b 总线设备控制器，是设 备与主机连接通信的指挥中心，它负责整个主机与设备的信息流的交换，接收从 主机来的信息，处理外设的响应，并使两者能够协调工作，与其它计算机板卡最 大的不同是u s b 接口部分本身必须具有“智能”指挥中心c p u ；设备部分是真正 意义上的特定功能的外设，如硬盘、光驱等。 u s b 总线连接外设和主机时，利用菊花链的形式对端点加以扩展，形成了金 字塔型的外设连接方法，有效地避免了p c 机上插槽数量对扩充外设的限制，减 少了p c 机接口的数量。 2 1 2u s b 电缆 u s b 电缆中有四根导线：一对相互绞缠的标准规格线，用于传输差分信号d + 和d 一，另有一对符合标准的电源线v 。和g n d ，用于给设备提供+ 5 v 电源。u s b 第二章基于u s b 总线的数据采集系统的硬件实现 连接线具有屏蔽层，以避免外界干扰。 2 1 3u s b 总线传输协议 u s b 总线数据传输只有两个方向，从主机到设备的输出o u t 写传输和从设备 到主机的输入i n 读传输。在每次传输开始时，主机控制器发送一个标志包来规 定数据传输的种类、方向以及u s b 总线设备地址和端点号，然后发送端开始发送 包含信息的数据包或表明没有数据传输，接收端要相应地发送一个握手的数据 包，表明是否传输成功。 2 1 。4u s b 总线管道 u s b 通过管道在主机缓冲区与设备端点间传送数据。主机和设备的端点之间 的连接称为管道。u s b 总线可以支持多达1 2 7 个设备管道。一个指定的u s b 总线 设备管道还可能有多个微管道，也就是端点。由于u s b 是串行总线，一个设备端 点就相当于一个按顺序读写u s b 数据字节的f i f o 。主机通过发送一个4 位的地 址和一个方向位来选择一个设备的端点，因此u s b 能单独寻址3 2 个端点，i n 0 到i n l 5 和0 u t o 到伽t 1 5 。所有的数据传输都是针对端点操作的。由0 号端点组 成的管道叫缺省控制管道，一旦设备加电并复位后，此管道即可使用，其它管道 只在设备被设置后才存在。 从设备的角度看，端点是装载从总线上接收到的数据字节或保持要发送到总 线的数据的缓冲区。u s b 总线设备控制器从一个o u t 端点缓冲区读取主机数据， 通过把数据写到一个i n 端点缓冲区而发送输入数据到主机。 2 1 5u s b 总线数据传输类型 为了适应不同的传输数据，u s b 定义了四种传输类型：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、 批传输( b u l k ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 和同步传输( i s o c h r o n o u s ) 。 2 1 5 1 控制传输 控制传输用来对设备设置以及发送命令。 2 1 5 2 批传输 批传输用来传输要求正确无误的大批量的数据，可靠性高。通常打印机、扫 描仪和数字相机等以这种方式与主机相连接。批传输全速时一次能传输8 、1 6 、 第二章基于u s b 总线的数据采集系统的硬件实现 3 2 或6 4 个字节，高速时可传输5 1 2 个字节。本系统就是利用批输入传输将粒度 数据传送到主机内存中的。 2 1 5 3 中断传输 中断传输传送的数据量很小，但这些数据需要及时处理，以达到实时效果。 此方式主要用在键盘、鼠标以及操纵杆等设备上。 2 ，1 5 4 同步传输 同步传输用来连接需要连续传输数据且对数据的正确性要求不高，而对时间 极为敏感的外部设备，如麦克风、喇叭、电话等音频、视频设备。 2 1 6s e t u p 数据包 所有的u s b 总线设备以缺省控制管道响应主机发出的请求。这些请求是通过 使用控制传输来完成的，请求及请求的参数通过s e t u p 包发向设备，由主机负责 设置s e t u p 包内每个域的值。每个s e t u p 包有8 个字节，见表2 - 1 。 表2 - 1s e t u p 数据包的格式 偏移量 域 大小值 描述 请求特征： d 7 】：传输方向o = 主机至设备 1 = 设备至主机 d 6 5 】：类型0 0 = 标准0 1 = 类 1 0 = 厂商i i = 保留 0 b m r e q u e s t t y p e 1 位映射 d 4 0 】：接收者0 0 0 ( 0 ) = 设备 0 0 0 0 1 = 接口 0 0 0 1 0 = 端点 0 0 0 1 1 = 其它 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 = 保留 1 b r e q u e s t 1 数值具体请求 2w v 酊u e2 数值字长域，根据不同的请求含义改变 4w l n d c x2 索引或偏移典型用于传送索引或偏移 6 w l e n g t h 2 计数如有数据阶段，此为数据字节数 2 1 7u s b 总线标准设备请求 s e t u p 数据包中，当b m r e q u e s t t y p e 的d 6 5 为o o 时，b r e q u e s t 的值是u s b 第二章基于u s b 总线的数据采集系统的硬件实现 规范定义的1 1 种标准请求中的一种。这1 1 种标准请求如表2 2 所示。 表2 - 2 标准请求代码 请求 数值( b r e q u e s t ) g e ts t a t u s0 x 0 0 c l e a r - f e a t u r e o x 0 1 为将来保留使用 0 x 0 2 s e t f e a t u r e 0 x 0 3 为将来保留使用 o x 0 4 s e t _ a d d r e s s o x 0 5 g e td e s c r i p t o r0 x 0 6 s e t _ d e s c r i p t o r o x 0 7 g e t _ c o n f i g u r a t i o n o x 0 8 s e t _ c o n f i g u r a t i o n o x 0 9 g e t _ i n t e r f a c e o x o a s e t _ i n t e r f a c e o x o b s y n c h _ f r a m e o x o c 2 1 8u s b 描述符 u s b 总线设备通过描述符来向主机报告它的属性。描述符是有特定格式的数 据结构，它包括了设备所有的属性信息。每一个描述符的首字节表明本描述符的 长度，紧跟其后的一个字节是描述符类信息。 标准u s b 描述符包括设备描述符( d e v i c ed e s c r i p t o r ) 、设备限定描述符 ( d e v i c e q u l i f i e rd e s c r i p t o r ) 、配置描述符( c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t o r ) 、速 度配置描述符( o t h e r _ s p e e d c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t o r ) 、接口描述符 ( i n t e r f a c ed e s c r i p t o r ) 、端点描述符( e n d p o i n td e s c r i p t o r ) 和字符串描述符 ( s t r i n gd e s c r i p t o r ) 。 2 2u s b 总线控制器 u s b 总线规范十分复杂，要具体实现一个u s b 总线设备，u s b 总线控制器芯 片则必须有很高的智能以隐藏其内部的复杂性，而呈现给使用者的应该是强大的 功能和简单的使用，便于用户的开发。 目前，市场上的u s b 总线控制器芯片有很多种，例如c y p r e s s 公司的e z _ u s b f x 2 ( c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 、i n t e l 公司的8 x 9 3 1 a 、p a n a s o n i c 公司的u s b n 9 6 0 2 等等。其 第二章基于u s b 总线的数据采集系统的硬件实现 中c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 ( c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 控制器芯片是为u s b 2 0 设计的高 集成单片解决方案，支持高速数据传输( 4 8 0m b s ) 与全速数据传输( 1 2m b s ) ， 具有可编程的m c u ，而且有较方便的开发流程，所以被选为本论文开发u s b 总线 设备的专用控制器芯片。它具有以下三种特性。 提供了一个软的基于r a l i ，允许无限制地配置和升级的解决方案。 满足最大限度的u s b 吞吐量，设计时将不会受到端点数、缓冲区大小和 传输速度的限制。 f x 2 内核将会处理大部分的u s b 事务，简化了固件代码，加速了u s b 的 学习过程。 2 2 1e