（光学工程专业论文）基于usb20的ccd数据采集系统.pdf

浙江大学硕士学位论文y 摘要 y 8 7 7 1 8 5 摘要 本论文介绍了基于u s b 2 0 的c c d 数据采集系统，详细描述了信号捕捉和 模数转换部分以及u s b 接口部分的原理要点、设计难点、参考电路及相关程序 设计，并对该系统进行了综合测试。 本系统采用的主要元件包括c y p r e s s 公司f x 2 系列的c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片， a n a l o gd e v i c e 公司的a d 7 4 7 2 和n e c 公司的线阵c c d 传感器等。系统利用 f x 2 的g p i f 接口技术，通过对控制逻辑的合理设计，实现对a d 和c c d 芯片 的控制和数据采集，采用批量传输类型实现对数据的高速传输，并存放在主机 硬盘文件中。 在设计过程中，充分利用了现有芯片资源，在不利用c p l d 和f i f o 芯片 的条件下，用g p i f 接口的控制逻辑来有效合理地控制c c d 和a d 7 4 7 2 两片芯 片的工作时序，并读取数据至缓冲区，从而节省了般类似系统所必需的f i f o 芯片和控制时序的c p l d 芯片等，不仅降低了丌发成本，也节省了系统容量， 更利于产品开发，从而给出了新的节约型设计方案。 本课题完成了基于u s b 2 0 协议的数据采集系统的设计和实验，分析了各 重要控制逻辑的时序，测试了系统的有效传输速率，取得了一定的研究成果。 关键词：u s b 2 0 ；c c d ；数据采集；g p i f ；f x 2 浙江大学硕士学位论文 _ 8 s 刀弘c ， a b s t r a c t t h i s p a p e ri n t r o d u c e s ac c dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s b 2 0 s p e c i f i c a t i o na n dd e s c r i b e st h et w op a r t so ft h es y s t e ms e p a r a t e l yi n c l u d i n gt h ep a r t o fs i g n a la c q u i s i t i o na n da n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o na n dt h ep a r to fu s bi n t e r f a c e i t e m p h a s i z e so nt h ep r i n c i p l eo u t l i n e s ，d e s i g nd i f f i c u l t i e s c i r c u i t sa n dp r o g r a m s a n d i tr e p o r t st h et e s t i n gr e s u l t so f t h ew h o l es y s t e m t h ec o m p o n e n t sa d o p t e di nt h es y s t e mm a i n l yi n c l u d ec y 7 c 6 8 0 1 3o ff x 2 s e r i e sm a n u f a c t u r e db yc y p r e s ss e m i c o n d u c t o r , a d 7 4 7 2o f a n a l o gd e v i c ei n c a n d l i n e a rc c do fn e c w eu s et h ec o n t r o l1 0 9 i c so ft h eg p i f ( g e n e r a lp r o g r a m m a b l e i n t e r f a c e ) ，c o l l e c tt h eh i g h s p e e dd a t ab yb u l kt r a n s f e r sa n ds t o r et h ec o l l e c t e dd a t a i nt h eh a r dd i s k t h es y s t e md e s i g nt a k e sf i f l la d v a n t a g eo ft h ec u r r e n ti cr e s o u r c e s i tc o n t r o l s t h et i m i n g so fc c da n da d 7 4 7 2e f f i c i e n t l yb yu s i n gg p i ea n dr e a d st h ed a t ai n t o t h eg i v e nb u f f e r , s ot h a tw ec a nd e s i g nt h ew h o l e s y s t e mw i t h o u tf i f o sa n dc p l d s w h i c ha r ei n d i s p e n s a b l et ot h en o r m a ls o l u t i o n s i nt h i sp a p e r w ei n t r o d u c ean e w e c o n o m i c a ls o l u t i o nw h i c hs a v e st h ed e v e l o p m e n tc o s t ，r e d u c e st h es y s t e ms i z ea n d b e n e f i t st h ep r o d u c td e v e l o p m e n t t h r o u g h t h i sp r o j e c t ，w ec o m p l e t et h ed e s i g na n d e x p e r i m e n t so ft h ec c dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s b 2 0s p e c i f i c a t i o n , a n a l y z et h et i m i n go fi m p o r t a n t c o n t r o ll o g i c s ，t e s tt h ee f f i c i e n ts y s t e mt r a n s f c rs p e e da n do b t a i nc e r t a i nr e s e a r c h r e s u l t s k e yw o r d s ：u s b 2 o ；c c d ；d a t a a c q u i s i t i o n ；g p i f ：f x 2 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 基于u s b2 0 的c c d 数据采集系统概述 c c d 作为一种光电转换图像传感器，可以把图像信息直接转换成电信号， 实现非电量的电n t ”。同时它还具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作 速度快、测量精度高等诸多优点，因此广泛应用在精密测量、非接触无损检测、 文件扫描与航空遥感等领域。在本课题系统中，c c d 作为光电转化信号的发出 端，是信号采集的重要器件。 a d 采样是数据采集的重要环节吼在p c 机高速发展的今天，数据采集要 求商精度、高速度、低噪声等特性，这便对信号采集芯片、模拟电路设计、p c b 电路板抗噪声能力等提出商标准1 3 1 口在本课题中，a d i 公司生产的高性能模数 转换芯片作为信号数字化的重要器件。 通用串行接口u s b 接口作为数据传输接口的一种形式，硬件电路简单，提 供了单一且便于操作的接口连接标准，具有支持热插拔，可理论扩展至1 2 7 个 从机接口，速度快，独立供电、误码率低等优点【4 l ou s b 接口自诞生至今，已 经占领了p c 外设市场，而在未来，u s b 又将以o t g 再次引领计算机外设产业 的发展方向，同时也将把计算机和嵌入式领域的学术研究带入更为深入的层次。 p c 端是控制整个嵌入式系统的主机部分，通过底层驱动程序发送命令，采 集并储存数据，并对数据进行图像分析。要求p c 端配置有支持u s b 2 0 的h o s t ：占片，否则将影响整个系统的传输速率。 本系统就是基于u s b 2 0 技术的c c d 数据采集系统，在文件扫描、精密测 量等应用到图像处理技术的领域有着广泛的实用前景。 1 2 国内外发展现状和趋势 在涉及到图像处理领域，c c d 的应用已经非常广泛，它是模拟光信号转化 成电信号的传感器，经过二值化之后，便于计算机系统进行识别和处理。所以 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 整个系统一般来说需要光学系统、c c d 、a d 转化等i i 仃期信号捕捉单元，m c u 或者d s p 等信号处理单元，串口或者并口的与p c 端的通信接口单元。 c c d 检测技术作为一种能有效实现动态跟踪的非接触检测技术，被广泛应 用于尺寸、位移、表面形状检测和温度检测等领域。 在大尺寸测量方面，b l i a o 等将c c d 摄像系统应用在三维坐标测量机 ( c m m ) j 2 ，实现了三维坐标的自动测量之后r e l u o 等人用c c d 摄像头代 替c m m 的探头，结合激光测距技术实现了对一维尺寸的非接触精确测量1 6 l 。 在微小尺寸测量方面，c j t a y ，x h e i 1 等人利用图像识别和数字相关等技术简 化了计算过程，可快速计算上百个i c 芯片管脚的高度，从而有效地提高了检测 系统的实用性。 在形变测量方面，j m s i g u i e r 等为研究大型科学气球气囊表面材料的性 质，利用两个c c d 摄像机摄取被测物体的表面图像，通过立体相关方法获取 样品的三维形变【8 】。 三维表面测量方面，c j t a y 9 】等人建立了对低频振动的物体表面进行三维 检测的系统，该系统由振荡发生系统、液晶显示条纹发射器、特殊远心镜头、 高速c c d 、图像采集卡和计算机组成。系统所用的远心镜头可以保持放大倍率 为常数，使测量结果与被测物体和c c d 之间的距离无关，从而减小了测量中 物体振动时因为景深改变而产生的测量误差。 总体来说，c c d 有线阵和面阵多种应用，线阵一般应用在精密测量，长度 位置识别，液体折射率测量等方面，当然象素值也是不同的，譬如有2 0 8 8 象素、 4 0 9 6 象素等；面阵c c d 则应用范围一般在比较复杂的系统，譬如航天遥感， 图像模式识别，图像分析 1 9 1 等。当然c c d 的原理是类似的，都是通过脉冲信 号，把临时存在寄存器中的电信号的移位输出。 对于c c d 的每个象素单元的信号进行处理的系统，譬如光谱成像仪等， 就需要对c c d 信号的灰度进行采样，通过a d 变成数字量进行分析；对于c c d 在一个截面上的整体信号进行宏观处理的系统，譬如液体折射率计【1 0 】等，就不 需要用a d 进行采样，直接对c c d 输出的信号进行整形、滤波即可，然后对产 生的阶梯式宏观信号进行判别，读出上升或下降沿的临界位置即可。所以，系 统对c c d 信号的不同处理要求也决定了数据采集前端单元的架构。 后端与p c 主机通信单元，串口是比较常见的方式。通过p c 本身的r s 2 3 2 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 串口以及m a x 2 3 2 等电平转化器件，与m c u 或者d s p 等处理单元的n l 或者 c m o s 电平连接，判别电平转换信号位置。 在通讯速率要求不高的系统中，r s 2 3 2 经常作为与p c 数据交换的接口 “j 。 譬如在以测量光学条纹数据的光学计量用高速线阵c c d 数据采集系统f 】2 】中， 采用m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 f 8 1 微控制器设计系统，采用r s 2 3 2 串口通信方 式进行交换数据，实现对c c d l 0 0 0 次，秒的数据率采样。 但是由于r s 2 3 2 数据传输速率最大值为2 0 k b p s ，已经远远不能满足高速 数据采集的工程应用需求，正因为u s b 有速度快，易插拔，结构简单合理，体 积小，灵活并且独立供电等诸多优点，因此很多数据采集系统的通信端口都用 了u s b 总线方式，譬如p h i l i p s 的p d l u s b d l 2 ，c y p r e s s 的e z u s b ，f x ，f x 2 1 3 】 等芯片都被广泛采用。随着u s b 规范的不断改进，u s b 2 0 技术已经广泛应用， 而能够主从切换的u s b o t g 技术更是未来的趋势。 1 。3 关于本课题及论文的说明 结合课题与实际应用开发，说明如下： 本课题是结合现代光学仪器而进行的新型数据采集接口技术的研究，涉及 领域为c c d 技术、模数转换技术、u s b 接口技术等。 本论文详细介绍了相关u s b 技术规范、相关芯片功能和基本理论构架。第 二章阐述了系统c c d 信号捕获和a d 模数转换部分，涉及软硬件设计；第三章 阐述了u s b 2 0 技术规范和传输特性、c y p r e s sf x 26 8 0 1 3 芯片的具体架构和功 能、f x 2 底层固件设计，w i n d o w s 系统端驱动设计和上层应用及测试程序设 计等；第四章为系统测试及数据分析；第五章为总结展望。 1 4 课题系统框图和开发环境 1 4 1 系统结构框图 本系统概括来说分两个部分，一个是数据采集量化部分，由c c d 和a d 芯片组成，包括信号捕获和模数转换两个部分；另一个是u s b 接口部分，包括 8 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 底层固件程序、系统驱动程序和p c 测试应用程序等。将在第二章开始分章论 述。 1 4 2 系统开发环境 豳1 - 1 本实验系统框图 c c d 传感器：日本n e c 公司的up d 3 7 5 3 。 a d 转换芯片：a n a l o gd e v i c e 公司的a d 7 4 7 2 u s b 接口芯片：c y p r e s s 半导体公司f x 2 系列中的c y 7 c 6 8 0 1 3 1 2 8 a c 固件开发工具：k e i l cuv i s i o n 2 测试应用程序开发工具：v “+ 6 0 电路板设计：p r o t e ld x p 采样数据分析：m a t l a b6 0 p c 操作系统：w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a ls p 2 9 浙江大学硕士学位论文 第二章信号捕获和模数转换 第二章信号捕获和模数转换 本章将注重c c d 信号捕获原理和具体应用、模拟一数字信号转化原理和 具体应用的阐述。为配合u s b 2 0 技术带宽要求和实验室现有条件情况下，本 系统选用的具体实验开发c c d 为日本n e c 公司生产的up d 3 7 5 3 ，a d 转换芯 片为美国a n a l o g d e v i c e i n c 生产的1 2 b i t a d 7 4 7 2 芯片。 2 1c c d 技术及线阵c c d1 tp d 3 7 5 3 介绍 c c d 技术是随着半导体微电子技术发展而发展起来的图像传感技术，c c d 传感器的基本象元单位是特殊的感光材料，应用精密光学、电子学、材料学等 多学科综合理论，在高精密工艺下研发制作而成【1 1 。 2 1 1c c d 技术介绍及成像原理 电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ，c c d ) 是一种以电荷为信号载体的微 型图像传感器，具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功篚，其输出信 号通常是符合电视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于 进行图像存储、增强、识别等处理【1 4 1 。 自c c d 于1 9 7 0 年在贝尔实验室诞生以来，c c d 技术随着半导体微电子技 术的发展而迅速发展【“l ，c c d 传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏 度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍 摄，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、 重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、 寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时问工作于恶劣环境、便于进行数字化 处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了 广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之 浙江大学硕士学位论文 第二章信号捕获和模数转换 c c d 是由光敏单元、输入结构和输出结构等组成的一体化的光电转换器 件，其突出特点是以电荷作为信号载体。当入射光照射到c c d 光敏单元上时， 光敏单元中将产生光电荷o ，o 与光子流速率a n o 、光照时间乏、光敏单元面 积a 成f 比，即： q = 1 1 q a n o a 乏 其中t 1 为材料的量子效率：q 为电子电荷量。 照 蕾代” 善 叠 图2 - 1c c d 图像传感器的光电转换特性 图2 - 1 为c c d 图像传感器的光电转换特性，其中横坐标为照度( 1 x j ) ；纵 坐标为输出电压( k ) 。输出电e v o 在非饱和区满足： f ( s ) = s t + d 2 式中，f ( s ) 为输出信号电压( k ) ；s 为曝光量( s ) ；d l 为直线段的斜率 ( v x - s ) ，表示c c d 的光响应度；t 为光电转换系数，t 。1 ；d 2 为无光照时c c d 的输出电压，称为暗输出电压。特性曲线的拐点g 所对应的曝光量s e 称为饱 和曝光量，所对应的输出电压v s a t 称为饱和输出电压。曝光量高于s e 后，c c d 输出信号不再增加，可见，c c d 图像传感器在非饱和区的光电转换特性接近于 线性，因此，应将c c d 的工作状态控制在非饱和区。 c c d 应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综 合性技术，并被广泛应用于现代光学和光电测试技术领域【”1 。随着半导体材料 与技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的不断进步，c c d 图像传感器的 性能也在迅速提高，将c c d 技术、计算机图像处理技术与传统测量方法相结 合，能获取被测对象的更多信息，实现快速、准确的无接触测量，显著提高测 量技术水平和智能化水平，因此，c c d 技术必将以其突出的优点而在工业测控、 1 1 浙江大学硕士学位论文第二章信号捕获和模数转换 机器视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其他许多领域得到越来越广泛的应用 【1 5 】 2 1 2i j - p d 3 7 5 3 线阵c c d 工作原理和应用开发 up d 3 7 5 3 是n e c 公司生产的2 0 8 8 有效象素的高灵敏度线阵c c d l l 6 】，内 含2 0 8 8 c c d 电荷转化寄存器、电压放大电路、清零脉冲电路等，象元间距为 1 4um ，最敏感峰值波长为5 5 0 n m 的绿光，单电源+ 5 v 电压供电，数据驱动时 钟频率最大值为2 m h z ，推荐频率为1 m h z ，低噪声5 伏c m o s 电平输出，d i p 2 2 封装。 图2 - 2up d 3 7 5 3 线阵c c d 内部结构框图【1 6 i 在常温状态下，up d 3 7 5 3 c c d 的推荐工作条件为1 m h z 频率的时钟。其 时序和脉冲信号输出关系图如下所示： 浙江大学硕士学位论文 第二章信号捕获和模数转换 a t t 3 “j = 小心讣乙f v u 划凡凤风风风且周同堋j 司月崾l 曛唾孵 0 2 几几几几一n 几n 几 几几几几n 门n 丌几几n 门n 厂 ”惯翟嚣”i 篇警：! 嚣i 翟：； 蔷鬻 m v m ni j a o l t t a l l i r i v a l i ，l a o t o e a l l 偿p l x e b )懵p k a 乜 图2 - 3c c d 视频信号脉冲输出时序图【“i 其中，t g 信号为启动开始信号，彘和戎为相位互为相反的寄存器移位脉 冲，v o u t 引脚端为c c d 视频信号输出端。从图中可以得知，up d 3 7 5 3 c c d 输 出信号依次有1 2 个不稳定的象素信号，1 8 个光学空白信号，2 个无效光敏象元 信号，2 0 8 8 个有效光敏象元信号和2 个无效光敏象元信号。 对线阵c c d l ap d 3 7 5 3 的开发主要是参考pp d 3 7 5 3 的d a t a s h e e t ，+ 5 v 稳 压供电，配合好主要控制引脚信号t g ，办和兜的时序。下图所示为c c d 时钟 控制信号与输出信号时序图。 r e m r k 口：8 啪a l o u t p u i 浙江大学硕士学位论文 第二章信号捕获和摸数转换 0 2 厂一 图2 - 4c c d 时钟控制信号与输出信号时序图【1 6 】 图中对于破和兜信号相位差、高低电平转化斜率都有着严格的控制。图中 所示的t 1 和t 2 在o l o o n s 之间，典型值为5 0 n s ：t 3 和t 4 典型值5 0 n s ；t 6 和t 7 的典型值为l o o n s ；视频输出信号延迟时间t d 典型值为1 3 0 n s 左右。 t o t a l s p e c t r a l r e s p o n s e c h a r a c t e r i 盯i c s ( w l m o u t i n f r a r e d c u t t i r ( t a # + 2 5 。c ) w s v e l e t i g l h f n m 】 图2 - 5c c d 波长响应图【1 6 1 如上图所示，横坐标为波长( n m ) ，纵坐标为响应效率( ) 。此图显示了p p d 3 7 5 3 对可见光和近红外波段的响应效率，从图得知，峰值响应效率约在 5 5 0 n m 的绿光处。 2 2 模拟一数字转换技术和a d 7 4 7 2 介绍 人类生存的世界环境中充满着各种物理量，通过传感技术，可以将各种各 样的物理量转化成电模拟量，通过现代电子技术，间接对自然界的物理量进行 测量或分析。因此模拟一数字转换技术在各种遥感测量、温度检测、环境评估 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章信号捕获和模数转换 等领域应用十分广泛。 2 2 1 模拟一数字转换技术 随着数字信号处理技术和d s p 处理器的发展，由于数字处理的灵活性，稳 定性和易扩充性，越来越多的模拟信号处理转移到数字式的处理上，要求有高 速的精确的模数变换器a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r 。高速a d c 必须经过严格的测 试使设计人员在应用时达到系统的要求。 现代i c 加工技术允许集成根多的模拟器件在a d c ，比如参考源，采样一 保持器等等，减少了数据采集系统设计的难度和工作量。目前高速采样a d c 的特征【2 7 l 如下： 广泛的适用性，比如数字信号处理和通讯； 强调动态特性； 向低工作电压，低功耗，单电源方向发展： 更多的集成的功能模块：s h a ，数字滤波器等。 先进的加工工艺： - 低功耗c m o s 工艺：可以实现1 2 位i o m s p s 采样； 一高速c o m p l e m e n t a r yb i p o l a r ：可以实现1 2 位7 0 m s p s 采样； 一s t a t i s t i c a lm a t c h i n g 技术，激光掩膜技术等。 当然，在对模数转换的精度要求不是很高，对速度要求也一般的应用场合， 为了减少系统容量、优化系统合理设计，一般会选用带有a d c 模块的m c u 或 者其他高性能中央处理器。一般的a d c 按工作原理分类，可分为两类：一种 是逐次逼近型，另一种是瞬时转换型吼 浙江大学硕十学位论文 第二章信号捕获和模数转换 2 2 1 1 逐次逼近型( s a r ) 能 d i g i t a l o u t p u t 闰2 - 6 逐次逼近型a d 转换器结构框图 上图为逐次逼近型a d 的结构框图，s h a 是s a m p l e h o l d a m p l i f i e r 的缩写， 即采样保持放大电路。其工作原理步骤【3 】为： a ) s t a r tc o n v e r t 信号表示采样开始时，将连续接近寄存器中所有位都 重置为o ，最高位除外； b ) 测试最高位的1 ，用电压比较器比较输入电压和反馈的d a c 的电 压，如果d a c 的输出电压大于输入电压，则将最高为重黄为0 ， 否则最高为仍为1 ； c 1 将次高位设置成1 ，进行测试，如果d a c 的输出电压大于输入电 压，则将次高位重置成0 ，否则保留为l ； d ) 依此类推，按照从高位到低位的顺序测试每一个位是否为1 ； e 1 当所有的位都完成测试后，寄存器中的数据就是最终输出的结果。 从原理可以看出，采用s a r 方法的a d c 转换时间相对比较长，而且随着 位数增加转换时间也增加，譬如8 - b i t 的a d 转换一次时间需要几百纳秒，而 1 6 - b i t 的可能需要几微秒或者更长时间。 1 6 。一 旦 巡 盥 一 一 猫 | | ；一 下； 一禽 巨 | | 塞 浙江火学硕士学位论文 第二章信号捕获和模数转换 2 2 1 2 瞬间转换型( f l a s h ) 图2 7 瞬间转换型a d c 结构框图 上图为瞬间转换型a d c 结构框图，也口q 并行比较型吲。其结构特点是多个 电压比较器，譬如一个n 位的a d 需要包括2 1 个电压比较器和2 “个电阻。这 类型的a di 作速度快，每一个比较器都有一个基准的参考电压，通过标准参 考电压v r e f 分压得到。比较器的参考电压依次递增1 l s b 的电压差，如果一个 比较器的输入电压大于它的参考电压，则逻辑输出1 ；如果输入电压小于参考 电压，则逻辑输出0 。经过译码器，输出二进制码。这个输出仅仅延迟了一个 比较器工作的时间和几个逻辑门的时间，所以非常快。缺点是使用了大量的电 阻和比较器，而且工作频率很高，所以功耗比较大。 2 2 2a d 7 4 7 2 工作原理和应用开发 a d 7 4 7 2 是a n a l o g d e v i c el n c 生产的1 2 位的高速、低功耗、具有并行接口 的逐次逼近型a d 转换器。单电源2 7 v 5 2 5 v 供电，可最高达到1 5 m s p s 采 样频率，其低噪声、宽带宽的采样一保持放大电路可以处理超过1 m h z 的信号。 2 4 引脚的t s s o p 或者s o i c 封装【2 l l 。 1 7 浙江丈学硕士学位论文 第二章信号捕获和模数转换 百吓嗨盯 m 铀r 豺狲铀 o b 蚀o c i k i n 嚣 丽 b y a g n dd g n d 图2 - 8 a d 7 4 7 0 ( t 0 - b i t ) 7 4 7 2 ( 1 2 b j n 结构框图【2 1 】 a d 7 4 7 2 的主要控制引脚为c o n v s t ，c s ，r d 和时钟输入端c l k 。b u s y 是模数转换是否完成的标志引脚。c o n v s t 下降沿表示启动一次a d 转换，即 开始对信号进行采样，同时b u s y 引脚拉高。当b u s y 引脚信号显示为低电平 的时候，表示次转换结束，其转换时间大约需要1 4 个时钟周期，譬如在2 6 m h z 时钟频率条件下，转换时间大约5 3 1 n s 左右。c s 是片选信号，瓦西是读允许信 号，用来配合主控芯片通过并行口对a d 7 4 7 2 进行读操作。 其产品特点如下： 低功耗下的高采样频率：a d 7 4 7 2 采样频率可以达到1 5 m s p s ，功耗仅 为4 r o w 。 灵活的电源和采样频率管理：a d 的采样频率是由外部提供的时钟信号 决定的，用户可以很大范围内自己决定。系统提供睡眠模式来最大限 度提高功耗效率。 无通道延迟：通过对c o n v s t 引脚的精确控制，逐次逼近方式完成a d 转换。 a d 7 4 7 2 有三种工作方式： 高速采样模式( h i g l is a m p l i n gm o d e ) ：c o n v s t 引脚端脉冲在转换还未 结束之前( b u s y 端高电平) ，拉高电平。如果c o y v v s i 屯平在b u s y l b 浙江大学硕士学位论文 第二章信号捕获和模数转换 为高( 转换进行中) 的情况下被拉低，那么转换过程将重新开始。因 此在这种模式下，当前一转换还没结束之前，不应启动新的转换。当 然也不应对a d 7 4 7 2 进行读操作。一般的a d 7 4 7 2 的时序如下图所示： 图2 - 9并行端口读操作时序高速采样模式【2 1 】 其中，在时钟频率为2 6 m h z 情况下，t c o r 。v e g t 为5 3 1 n s ，c o n i s t 到b u s y 延迟t 2 最大为3 0 n s ，转换结束到数据有效间隔时间t 6 最大为1 5 n s 等。 睡眠模式( s l e e pm o d e ) ：拉低c o n v s t 信号开始转换，当b u s y 信号 变低表示转换结束之后，自检c o n v s t 信号，如果还是继续保持低电 平，那么a d 7 4 7 2 自动进入睡眠模式。拉高c o n v s t 可以唤醒芯片， 一般情况下，) 叭c o n v s t 的上升沿到b u s y 端能够自动拉高显示转换 进行称为唤醒时间，其典型值为1 i t s 。在这1 i t s 唤醒时间之内， a w c o n v s t 的低电平是无效的，不会启动转换。睡眠模式下并口读操作 时序如下： “ 厂 惭 厂_ 、 一二二二二二二 蹬汇二二二二二二二二二 图2 - 1 0 睡眠模式下时序图1 2 1 l 一 一 龉 舒 姒 醐 浙江大学硕士学位论文 第二章信号捕获和模数转换 其中，t 妣删p 时间为1 i t s 。 猝发模式( b u r s tm o d e ) ：这个模式是高速采样模式和睡眠模式的结合， 只有在转换进行过程中启动时钟信号即可，即对于a d 7 4 7 2 ，最少只需 要1 4 个时钟脉冲。在非转换间隙，不需要时钟，进而更加节省了功率。 下图所示为在睡眠模式下的猝发模式时序图： 图2 - 1 1 猝发模式时序图【2 1 】 2 3c c d 传感和模数转换电路 经实验观察分析，i xp d 3 7 5 3 有效象素输出信号如图2 - 4 所示，在全暗背景 情况下，输出的电压范围在2 8 v 左右，在全亮背景情况下，输出为饱和电压， 在o 8 v 左右。而c c d 参数显示，其平均暗电流信号- ( a d s ) 一般只有几个毫伏 左右，非常微小，本论文设计的系统不对微弱信号进行检测，只是考察c c d 输出的二值化信号，即相对象元所处位置是否为暗或者亮( 饱和) ，只需对c c d 输出信号的原始电压值进行采样即可。 考虑到系统利用c y p r e s se z u s bf x 2 系统的“无缝结合”特性，充分利用 u s b 2 0 带宽，因此我们对a d 7 4 7 2 芯片采用通用可编程接口g p i f ( g e n e r a l p r o g r a m m a b l ei n t e r f a c e ) ，对a d 采样和输出数据进行控制和管理。关于g p i f 接口以及编程应用详细参见下章。 州 唧 一 聪 丽 嫩 c w 浙江大学硕士学位论文第二章信号捕获和模数转换 2 3 1l ip d 3 7 5 3c c d 电路连接 2 1 2 0 1 9a m s 1 8 1 7 1 6 1 5a 2 1 4a 1 1 3 1 2 图2 - 1 2up d 3 7 5 3c c d 电路连接图 其中引脚9 为t g 触发引脚连接到c y p r e s sf x 26 8 0 1 3 主芯片的并行口线 p a 7 ( p o r t a p i n 7 ) ；引脚1 4 、1 5 分别为相位相反的时钟信号c l k l 和c l k 2 ，c l k l 连接6 8 0 1 3 的并行口线p a 4 和g p i f 接口的c t l l 端，c l k 2 连接6 8 0 1 3 的并行 1 3 线p a 5 和g p i f 接口的c r l 2 端；引脚v o t r r 是c c d 视频信号输出端，考虑 到本系统的应用和本节( 2 3 节开头) 的分析，v o u t 可以直接连接到a d 7 4 7 2 的模 拟信号输入端。 眦一一一一m 浙江大学硕士学位论文 第二章信号捕获和模数转换 2 3 2a d 7 4 7 2 电路连接 = 生g 4 争争 l 0 1 u t l 7 c! 嘶如； j c n r 罂冀id b 0 ： 篓| | | 童垂vl 弋 7 p b 7趋 嘟d b 6 删47 2 嚣j 1 巫1c l 匠k a d 。，。 p d 02 4 p d l1 d b l 0 8 r e l ；：d 兰亘 p d 22 p d 33 d 旧& 1 ，矧b = 叫 0 口) 文g 6喃 。7 图2 - 1 3a d 7 4 7 2 电路连接示意图 a d 7 4 7 2 是1 2 位的单模拟通道、具有并行接口的高速模数转换芯片。本方 案供电电压是3 3 v ，途中( 2 4 ，c 5 和c 2 1 作为旁路电容，有去除电源毛刺、滤 波抗干扰的功能，电源参考电压为3 3 v ；片选信号引脚c s 为低电平有效，本 方案中直接接地处理；r d 引脚为低电平有效，是读信号控制引脚，本方案中 用跳线处理，为了便于系统调试，有两个选择一个接地另一个是接6 8 0 1 3 的 c t l 2 ，由g p i f 接口控制高低电平；c l k i n 端为外接时钟信号，本方案中连接 6 8 0 1 3 的c l k o u t 引脚，可以选择为2 4 m h z ；c o n v s t 为转换启动信号，连 接g p i f 接口的c t l 0 引脚；b u s y 为转换标志信号，连接g p i f 接口的r d y o 引脚；引脚6 为模拟信号输入端；d b l l d b 0 为并行数据接口，接g p i f l 6 位 数据总线的f d l l f d 0 。 浙江大学硕上学位论文 第三章u s b 接口及其软硬件开发 第三章u s b 接口及其软硬件开发 本章将重点阐述u s b 2 0 协议规范和u s b 2 0 接口芯片c y p r e s s 公司f x 2 系列的6 8 0 1 3 芯片特性和开发过程，涉及内容硬件电路设计、固件程序编写、 驱动程序和上层应用测试程序的v c 实现。 3 1u s b 协议和c y p r e s sf x 2 系列芯片 3 1 1u s b 协议特点 u s b 有很多特性，其优点也是显而易见【4 】【川，具体如下分述： 3 1 。1 1u s b 支持即插即用： 真正意义上的p n p ( p l u g a n d p l a y ) ，支持热插拔并且系统能够自动配置【2 4 】。 热插拔主要是物理层的实现，而自动配置则主要依靠软件协议。对于传统的串 口或是并口，在热插拔时会产生很强的峰值电流，容易烧毁硬件或接口芯片， 而u s b 物理层接口则使得热插拔成为可能。 自动配置主要是指设备在插入h u b 的下行端之后能被主机自动识别并进行 信息交换，这一功能依靠总线枚举来实现。 3 1 1 2 低功耗： u s b 的供电方式有两种 4 1 1 2 4 1 ，一种是自供电( s e l f _ p o w e r c d ) ，另一种是总线 供电( b u s - p o w e r e d ) 。自供电设备不需要从v b u s 上取得电流，功率不受u s b 协 议限制，设计时候只要将v b u s 通过电容连接到g n d 即可；总线供电的设备受 u s b 协议限制，其电流最大值为5 0 0 m a ，一般有正常工作( h i o 加a 1 ) 和总线挂起 ( s u s p e n d ) 两种状态。当总线供电设备在3 m s 内没有进行总线操作，即空闲( i d l e ) ， 浙江大学硕士学位论义 第三章u s b 接口及其软硬件开发 设备自动挂起，此时其吸收的电流仅5 0 0 一，功耗十分低。主机通过唤醒 ( r e s u m e ) 或复位信号对挂起的总线供电设备进行唤醒操作。 3 1 1 3u s b 的总线拓扑体系： u s b 支持分层的菊花链结构【4 】【驯： 3 t i e r 4 图3 - 1 u s b 总线拓扑结构 从上图可得，u s b 总线结构的三要素是：主机( h o s t ) 、集线器( h u b ) 和设备 结点( n o d e ) 。在u s b l 1 规范中，一个u s b 拓扑结构最多可以支持4 个h u b 层 和1 2 7 个外设结点。u s b h u b 是整个拓扑结构中的关键，提供u s b 端d ( p o r t ) ， 这些端口分为上行( u p s t r e a m ) 和下行( d o w n s t r e a m ) 磺j 种，上行端口连接上层h u b 或根h u b ，下行端口连接下层设备，h u b 可以检测出每一个下行端口的状态， 且给下层设备提供电源。 3 1 1 4u s b 的速度优势： 在u s b l 1 规范下，u s b 适用在一些低、中速设备，总线支持两种速度： 一种是全速( f u l l s p e e d ) 模式下的1 2 m b p s ，另一种是f 氐速( l o w s p e e d ) 模式下的 1 5 m b p s 。而这里所指的1 2 m b p s 和1 5 m b p s 是指总线在传输数据时采用的时钟 频率，并不是有效的数据传输速率，实际上，1 5 m b p s 的低速设备，一般的有 效传输速率在几k b s 左右。u s b 2 0 在兼容了u s b l 1 规范之后，其中高速 浙江人学硕士学位论文 第三章u s b 接口及其软硬件开发 ( h i g h - s p e e d ) 模式下速率为4 8 0 m b p s 。 因此在u s b 2 0 规范下，三种传输速率和应用范围如下1 2 4 】： 低速f 1 5 m b p s ) ：应用于鼠标、键盘、游戏手柄等外围设备； 全速( 1 2 m b p s1 ：应用于扬声器、扫描仪、麦克风等； 高速( 4 8 0 m b p s ) ：应用于硬盘驱动器、光盘驱动器、数码相机、宽待设 备等。 3 1 1 5 标准接口和外设： u s b 协议体系中的外设都是非常标准的，从底层的物理和电气特性到上层 的软件协议、数据通信，都有明确的定义。u s b 将主机和设备看作不同的对象， 这些对象由不同的模块和子模块组成【4 】【2 4 1 。 首先，u s b 根据设备功能的不同，将设备划分成不同的子类，譬如人机接 口设备类( h i d ) ，包括鼠标、键盘等；音频设备类( a u d i o ) ，包括音响、话筒等； 通讯设备类( c o m m u n i c a t i o nd e v i c e ) ，打印机类( p r i n t e r ) ，图像设备类0 m a g i n g ) 等等。不同子类中的设备使用不同的通讯协议，使用不同的主机端驱动程序。 而同一类的设备往往可以共享部分通讯协议和主机端驱动程序，因此u s b 设备 的开发减少了开发者的工作量，也减低了系统开销。 3 1 2f ) ( 2 基本介绍 c y p r e s ss e m i c o n d u c t o r 公司的f x 2 系列芯片是从f x 系列基础上改进二来 的，其最大特点就是支持u s b 2 0 协议i 矧。 f x 2 系列芯片本身就是很完善的u s b 2 0 解决方案【，包括s i t e 智能u s b 接口和增强型的5 1 内核。特别是其通用可编程接口g p i f ( g e n e r a lp r o g r a m m a b l e i n t e r f a c e ) 可以跟外围设备实现“胶连接”，实现真正的u s b 2 0 数据传输【2 0 】。该 芯片包括带8 k b 片内r a m 的高速c p u 、1 6 位并行地址总线和8 位数据总线、 1 2 c 总线、4 k bh f o 存储器以及通用可编程接0 ( g p 1 ) 、串行接口引擎( s i n ) 和 u s b 2 0 收发器。在代码的编写上，与8 0 5 1 系列单片机兼容，且速度是标准8 0 5 1 的3 5 倍，其指令周期只有4 时钟周期，最高可支持4 8 m h z 系统时钟周期【拟。 浙江大学硕上学位论文 第三章u s b 接口及其软硬件开发 3 1 3u s b 数据流 3 1 3 1 端点( e n d p o i n t ) 和管道( p i p e ) 端点实际上是一定大小的数据缓冲区【矧，在主机看来，设备是端点的集合， 主机只有通过端点才能跟设备进行通讯