（电磁场与微波技术专业论文）基于usb20的激光超声模拟驱动源的研制.pdf

中文摘要 摘要：在超声检测领域，激光超声在技术和性能上都处于领先地位，它具有传统 超声检测方法所不具备的非接触、远距离、宽频带等优势，应用前景广阔。本论 文的主要工作，是为基于光纤干涉仪的激光超声检测实验系统研制满足其要求的 激光超声模拟驱动源。 在测试激光超声检测系统的实验中，作为代替大功率激光器激发超声的电信 号源，应该既可以产生连续信号，也可以产生间断信号，甚至是用户自定义信号， 同时可以对信号的频率、幅度进行精度高、范围广的调节。目前市场上技术成熟 的电信号源多采用硬件电路的方案设计，只能产生规则的连续波形，并不满足激 光超声监测系统的实验测试之用。本文研制出一种将虚拟仪器技术与u s b 总线技 术相结合的激光超声模拟驱动源。设计中采用具有高速、稳定数据传输特点的 u s b 2 0 总线，将运行着虚拟仪器控制软件的p c 机与外围硬件电路相连，充分利 用了这两种技术的优势。开发出的驱动源能够产生用户自定义信号，信号参数调 整灵活，可以满足激光超声检测系统的实验测试需要。 本论文在提出设计方案的基础上，重点阐述了方案的实施过程。在硬件系统 设计方面，详细阐述了硬件的整体构成和u s b 接口电路等各个功能模块的设计、 制作。在软件系统设计方面，详细阐述了u s b 固件程序、u s b 驱动程序和用户应 用程序的设计流程和编译调试。 通过对设计完成的硬件和软件进行的联调实验可以看出，利用在计算机上运 行的用户应用程序对u s b 外围设备进行控制，可以产生多种用户定义的驱动信号， 并且信号的频率、幅度可以调节，达到了预期的目标。这种采用u s b 技术和虚拟 仪器技术开发的激光超声模拟驱动源，适合应用于激光超声检测系统的测试工作。 关键词：激光超声；u s b 2 0 ；虚拟仪器；超声驱动源；固件 分类号：t p 3 4 6 ：t b 5 5 9 a b s t r a c t a b s t r a c t ：l i lt h ef i e l do f u l t r a s o n i ct e s t i n g , c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i 。n a lm e m o d s l 硒e ru l 仃a s o u n di s a i la d v 锄c e dt e c h n o l 。g y ，w h i c hi sn o n - c o n t a c t ，l o n gd i s t 锄c e 觚d b r o a dl j r e q 嘲c yb 锄d w i d t h s ot h e r e a r eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t so ft h e l a s e r u l 懈o i l i ct e s t i n 孚t l l em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri st od e s i g nad r i v i n gs o u r c ef o rl 嬲e r u l t r a s o u n dt e s t i n gt oa n a l o gt h el a s e r s o u e i nt h el a s e ru l t r a s o m ct e s t i n gs y s t e m r e s e a r c he x p e r i m e n t ， a sar 印l a c e r 毗 h i 幽p o w e r1 a s e r ，i ts h o u l dn o to n l yg e n e r a t ec o n t i n u o u s s i g n a l s ，b u ta l s og e n e r a t e i n t e m l i t t e n ts i g n a l s ，a n de v e nu s e r - d e f i n e ds i g n a l s a n d t h ef r e q u e n c y 柚d 锄叩1 1 t u d eo t s i g n a l sc o u l db ea a j u s t e dw i t hh i g ha c c u r a c ya n d w i d er a n g et o o - m o s te l e c m c a ls 1 印a l s o u r c e sn o wa d o p tt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g np r o p o s a l a n dc a no n l yg 饥e r a t e 也e r e g u l a ra n dc o n t i n u o u ss i g n a l s ，s ot h e yd o n tm e e tt h er e x l u i r e m e n t s o fl a s e ru l t r a s o m c t e s t i n gs y s t 锄 r e s e a r c he x p e r i m e n t an e wu l t r a s o u n da n a l o gd r i v i n g s o u r c e1 s d e v e l o p e dw h i c hc o m b i n e sv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n du s bt e c h n o l o g y t h i s d e s i g na d o p t sa i lu s b 2 0b u s w i t hl l i 曲- s p e e d ，s t a b l ed a t at r a n s m i s s i o nc h a r a c t e n s t l c s t 0c 0 肌e c tm ec 咖p u t e r0 nw h i c ht h ev i r t u a li n s t r u m e n ta p p l i c a t i o n a n dp e r i p h 唰 c i 伽i t t h ed e s i g nm a k e sf u l lu s e o ft h ea d v a n t a g e so fb o t ht e c h n o l o g i e s t h ed r i v i n g s o u r c ed e v e l o p e da c c o r d i n g t ot h en e wd e s i g nc a ng e n e r a t eu s e r - d e f t n e ds i g n a l s ，a n dt h e 1 j r e q u e n c y 觚d 锄p l i t u d eo fs i g n a l sc a n b ea d j u s t e dn e a t l y s ot h ed r i v i n gs o u em e e t s m er e q u i r e m e n t so fl a s e r u l t r a s o n i ct e s t i n gs y s t 锄e x p e r i m e n t b a s e do nt h ep r e s e n t a t i o no f t h ed e s i g n ，t h i st h e s i sp u t se m p h a s i s o nt h er e a i l z a t l o n o fd e s i g np m p o s a l o nt h eh a r d w a r es y s t e m d e s i g n ，t h i s t h e s i sf o 饥s e s0 nt n e c o m p o s i n go ft h eh 莉w a r e ，t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no fu s b p e r i p h e r a le q u l p m e n t c i r c u i t 觚c t i o nm o d u l e s o nt h es o f t w a r es y s t e md e s i g n ，t h i s t h e s i si 咖d u c e st h e 口r o g r 锄d e s i g n ，c o m p i l a t i o na n dd e b u g g i n go f u s bf i r m w a r e ，u s bd r i v e ra n dc 1 1 e i l t a p p l i c a t i o n 1 1 1 et e s t i n go fs y s t e mh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n e di nt h i st h e s i ss h o w s t h a tt h e d i e n ta p p l i c a t i o nc 锄c o n t r o lt h eu s bp e r i p h e r a l d e v i c et og e i l e r a t eav a n e t yo i l l s * d e f i n e dd r i v es i g n a l s ， a n dt h ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo fs i g n a l sc a n b ea d j u s t e d t o o t h o s ep e r f o m a l l c e s o ft h ed e s i g n a c h i e v e dt h ea n t i c i p a t i v et a r g e t s ot h e u l t r a s o u n da n a l o gd r i v i n gs o u r c ew h i c ha d o p t sv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a i l dus b t e c l m o l o g yi ss u i t a b l e t ot h ea p p l i c a t i o ni nu l t r a s o n i ct e s t i n g s y s t e l ne x p 锄m 饥t k e y w o r d s ：l a s e ru l t r a s o u n d ；u s b 2 o ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；u l 仃a s o u n dd r i v i n g s o u r c e ；f i r m w a r e c l a s s n o ：t p 3 4 6 ；t b 5 5 9 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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： 7 蹦谜爻 导师签名 签字日期：知8 年多月，2 日签字日期： 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，也不包含为获得北京交通大学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： 7 弛支签字日期： 如善年多月，2 ，日 致谢 时光如梭，在本论文即将完成之际，我也将告别硕士研究生阶段的学习生活。 在此谨向在我攻读硕士学位期间指导、关心、帮助过我的老师和同学表示真挚的 感谢。 本论文的工作是在我的导师娄淑琴教授和盛新志教授的悉心指导下完成的， 两位教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，为我树立 了榜样。两位老师不仅悉心指导我完成研究生阶段的课程和实验室的科研工作， 而且在思想上、生活上也都给予我很大的关心和帮助，在此向娄淑琴老师和盛新 志老师表达我衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，师兄胡延、张建亮、刘杰，师姐李琳对我论 文中的研究工作给予了热情帮助，同窗王乾娟、杨磊同学与我一起讨论科研中的 问题，为我的研究工作提出许多有益的建议；同宿舍的聂文伟、贾俊同学在生活 中给我很多关心，在此一并向他们表达我的感激之情。 最后要感谢我的家人，正是他们的理解、支持和鼓励才使我在求学之路上一 直稳步前进，安心地在学校完成学业。 在今后的学习生活中我会更加努力， 家人、同学和朋友身体健康、工作顺利、 进一步提高自己。衷心祝愿我的老师、 万事如意! 1 引言 1 1 课题研究背景及意义 超声检测作为一种无损检测手段，在工业生产、医疗检测及科学研究中占有 重要地位。超声波传输时其能量和声速会因为和材料介质作用而发生变化，通过 对能量衰减和声速变化的测定，可确定材料的一些基本特性参数。超声检测就是 利用超声波在物质中或表面传播时能量和声速变化，以及超声波在介质分界面处 反射、折射、衍射和波形转换等现象，来判断传输媒介物质特性的一种无损检测 方法【1 1 。 超声无损检测的实现方法很多，主要分为接触式和非接触式两类。接触式方 法采用压电换能器进行检测，这种方法检测灵敏度高，是目前主要的超声无损检 测方法。但换能器必须紧贴在物体上才能进行检测，无法在高温高压、易燃易爆、 空间受限、强腐蚀等恶劣环境下使用，换能器和被测物体间的耦合剂也会对检测 结果产生影响。非接触式方法不需要将探测器通过耦合剂与被测物体接触，能工 作在恶劣环境下。激光超声检测是目前主要的非接触式检测方法。激光照射被测 物体激发出超声波，光纤干涉仪对超声波探测光特性参数的改变进行检测，从而 确定被测物体的一些特性参数。除能够非接触、远距离检测外，激光超声检测系 统还具有频带宽、时空分辨率高的特点，而且能够实现对形状复杂物体的测量， 已成为超声检测领域一种具有广阔应用前景的新技术【2 j 。 图1 1 是课题组正在研发中的新型激光超声检测系统的组成结构图。 图1 1 基于光纤干涉仪的激光超声检测系统结构图 f i 9 1 1s t r u c t u r eo f l a s e ru l t r a s o u n dd e t e c t i n gw i t l lf i b e ri n t e r f e r o m e t e r ( 聊) 图1 1 所示的激光超声检测系统由超声驱动源、基于光纤干涉仪的超声检测装 置和检测信号处理设备三部分组成。 在被测物体上激发超声，需要功率很大的激光，大功率激光器体积大、结构 复杂、运行费用高并且容易损坏，在系统的调试过程中通常采用其它方法来代替 用激光直接激发超声。这个系统基于光纤迈克耳逊干涉仪搭建，采用压电陶瓷 ( p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，p z t ) 作为被测物，电信号源激发p z t 产生超声的方法。 研制满足本系统测试所需的激光超声模拟驱动源，是本论文的主要工作。 超声的激发受到被测物体材料、组成及结构的制约，超声波的幅度和频率更 由驱动信号的频率和形状决定，这对超声驱动信号源输出的调节能力提出了很高 的要求。目前市场上信号源种类繁多，满足激光超声检测系统测试需要的廉价激 励源却很少，为课题项目的顺利进行，迫切需要开发出一种适合该系统使用的激 光超声模拟驱动源。 信号源作为基本的电子测量仪器通常工作在各种采用电信号作为传输载体的 应用系统中，为它们提供测试或驱动信号。目前发展比较成熟的信号源研制技术 采用集成电路芯片构成硬件模块以实现特定功能，这种硬件化仪器有其固有缺点， 如封闭性、缺乏灵活性、响应速度慢等。这些缺点必须通过改变设计方案才能克 服。 近些年，随着计算机硬件、软件和总线技术与测试技术、仪器仪表技术的密 切结合，产生了一项全新技术成果虚拟仪器技术。虚拟仪器以计算机作为仪 器统一的硬件平台，充分利用计算机强大的信息处理能力，同时它把传统仪器的 专业功能和面板控制软件化，使之与计算机结合起来，这样便构成一台功能与传 统硬件仪器一致，同时又充分利用计算机智能资源的全新仪器系统。“软件取代 硬件 成为克服传统硬件化仪器缺点的关键一步。 由于现代电子测量中检测信号的频率范围越来越宽，因此要求总线具有相应 的高速数据传输能力。所以在虚拟仪器的技术组成中，总线技术的先进与否成为 制约整个仪器性能的重要因素。在众多总线技术中，通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，u s b ) 以其稳定的数据传输、良好的通用性、节省系统资源等突出的优点而 得到越来越广泛的应用。特别是u s b 2 0 总线大幅提升了数据传输速率使其特别适 合作为虚拟仪器设备所使用的总线技术。 本论文从激光超声模拟驱动源的特点出发，采用基于u s b 2 0 总线的虚拟仪器 技术，开发出由运行在p c 机上的用户应用程序控制的，可对驱动信号进行频率选 择、形状调整的驱动信号源。 在本论文对激光超声模拟驱动源的开发过程中，深入研究了虚拟仪器技术和 u s b 总线技术，并提出了将二者结合开发基于u s b 2 0 总线的虚拟式驱动信号源的 2 方案。在对这项方案的分析和实施过程中所得到的各项研究成果可以通过适当的 修改应用到其它虚拟式的测试设备或系统中。作为两项有着广阔应用前景的技术， 对它们进行深入研究具有重要的意义。 1 2 激光超声的发展与优势 1 9 6 3 年w h i t e 和a s h a y a n 将激光引入光声应用领域，开始了激光超声的研究， 两位科学家分别提出了用脉冲激光束在固体和液体中激发超声波的方法。接下来， r a m s d e n ，b u n k i n y 和s t e g m a n 观察到强激光在固体中产生的爆炸波和在大气中产生 的燃烧波，会随时间和距离的增加而衰变成声波【2 】。自此以后，对激光在各种媒质 中超声激发机制、模式和方法的研究均取得了长足进步。 19 7 6 年，b o n d a r e n k o 等首先把激光超声用于材料检测，用调q 红宝石激光器激 发超声，用带宽为5 k h z 至1 5 0 k h z ，位移灵敏度为1 0 n m 的干涉仪进行检测。1 9 7 9 年， l e d b e t e r 等最先检测到一次激光超声的激发同时产生了纵波，横波和表面波。1 9 8 0 和1 9 8 2 年，s c r u b y 和d e w h u r s t 等对金属中激光超声波进行定量测量，并用面内正交 力偶模型解释热弹条件下的激发现象，用垂直力偶模型解释烧灼条件下的激发现 象，为激光超声的应用技术打下基础。2 0 世纪8 0 年代中期，加拿大人j p m o n c h a l i n 提出用球面共焦f a b r y - p e r o t 干涉仪探测超声振动超声测厚技术，首次实现在 l m 远处对未抛光的钢板进行激光超声实验，向实用化迈出了一大步。 近年来，激光超声产生机制和技术的研究有了更大的发展。其在固体材料热 学特性的定征和生物活性化学等方面的研究和应用，显示出激光超声具有其它技 术难以替代的优越性。 与传统的超声检测技术相比激光超声具有如下优点f 2 l ： ( 1 ) 激光激发和检测超声都是通过激光照射被测物进行，无需耦合剂，是完全 非接触式测量方法。它能够进行远距离检测，也能够应用在恶劣环境下。 ( 2 ) 激光可以在被测物中同时激发出纵波、横波和声表面波，更好地满足了测 试的需求。 ( 3 ) 激光脉宽为纳秒、皮秒，甚至飞秒量级，激发的超声也非常窄，即有很宽 的频带。 ( 4 ) 激光聚焦点非常小( 1 0 p m ) ，能实现数微米的空间分辨率，有利于精确 定位及尺寸度量。 ( 5 ) 激光光源比较灵活，更容易实现点、线、环以及栅状源。 作为超声传播研究与材料特性评估的新兴交叉学科，激光超声有非常广阔的 应用前景。 3 1 3 信号源的发展 信号源的设计技术可以分为三个发展阶段【3 j 。 1 模拟技术阶段 在1 9 8 0 年以前研发的信号源大部分采用模拟技术方式，它们由分立元件组成， 采用电阻电容、电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波 形，通常这种信号源只能产生单一种类的函数信号并且频率不高，工作不稳定， 不易调试。频率的变动由机械驱动电容器或谐振腔等可变元件来完成，所以调节 范围往往受到限制。 2 数字技术阶段 1 9 8 0 年以后数字技术日益成熟，信号源的开发开始采用数字电路，从一个频 率基准由数字合成电路产生可变频率信号。在数字技术阶段的早期通常采用晶体 管、运放等通用器件，后期则更多地采用专门的函数信号产生集成电路。采用数 字技术开发的信号源只能产生正弦波、方波等有限种类的波形信号，频率范围窄、 精度低，无法产生高频信号，对信号的控制调节不够灵活。 3 数字合成技术阶段 不论是采用模拟技术还是数字技术的信号源，对输出信号频率的控制都是采 用改变外接可变元件的方法。这种方法的缺点很明显，产生的信号频率精度低， 稳定差，频率调节调节范围小。为了解决上述问题，频率合成技术应运而生。频 率合成技术是指由一个或几个高度稳定的参考频率通过基本算术运算来产生一系 列离散频率的技术【4 】。 频率合成技术在几十年发展的过程中，不断完善成熟。目前应用最广泛的是 直接数字频率合成( d i g i t a ld i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，d d f s ) 技术，该技术的发展 已经比较成熟。d d f s 是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技 术，与前两代技术相比它将许多方面的技术指标显著提升：频率分辨率高、频率 转换时问短、输出频率改变时相位变化连续。 目前国外公司对信号源的研究和制造已经达到比较高的水平，尽管这些产品 的技术和性能都比较出色，但是它们仍然属于硬件化的测量仪器，只能产生制造 商预先设定好的信号，用户不能自定义信号波形。因此它们不适合作为激光超声 模拟驱动源。采用硬件架构设计的信号源，产生信号种类固定是其设计方案的固 有缺点，要克服这个缺点就应该采用一种新的技术方案。本文的主要工作就是提 出了将虚拟仪器技术和u s b 总线技术相结合的技术方案并设计实现该方案。 采用u s b 总线的虚拟仪器系统，结合了两种技术的优势。应用这个方案开发 出的信号源，经实验证明可以产生用户自定义的波形信号，满足作为超声模拟驱 4 动源的要求。同时证明了虚拟仪器技术和u s b 总线技术相结合的方案是可行的。 1 4 论文的主要工作 ( 1 ) 参与激光超声检测系统的研制，在分析系统结构组成和功能特点基础上总 结出系统对激光超声模拟驱动源的性能需求。 ( 2 ) 查阅、学习相关文献资料，并进行测试实验，经过对不同方案的比较论证， 确定激光超声模拟驱动源的开发方案。 ( 3 ) 设计、制作、焊接并调试系统硬件各个功能模块的p c b 电路。在参考c y p r e s s 公司提供的技术资料和源程序基础上，设计激光超声模拟驱动源的软件系统，包 括固件程序、驱动程序和用户应用程序。 ( 4 ) 联调系统硬件与软件，对整个激光超声模拟驱动源进行测试实验，并对系 统在性能提升和功能丰富方面提出了改进意见。 5 2 虚拟仪器技术和u s b 技术 虚拟仪器技术已成为测试仪器领域一项最受关注的技术，它利用高性能的模 块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪 器技术具有的性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成性这四大优势， 使其代表了测试仪器的发展方向，具有广阔的应用前景。 u s b 是近年来发展迅速的一项总线技术。u s b 接口具有即插即用、通用性好、 节省系统资源、数据传输可靠、不需要单独电源、成本低等诸多优点，使其从推 出伊始就受到广泛欢迎。目前最新的符合u s b 2 0 协议的接口在速度上又有了大幅 度的提升，使其与其它总线接口相比更具优势。 本章将对虚拟仪器技术和u s b 总线技术的工作原理和技术特点进行分析和阐 述。 2 1 虚拟仪器技术 2 1 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 是日益发展的计算机硬件、软件和总线技 术在向其它相关技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器仪表技术密切结 合产生的一项全新成果。2 0 世纪中期，美国国家仪器公司首先提出了虚拟仪器的 概念，认为虚拟仪器是一种以计算机作为仪器统一硬件平台，充分利用计算机独 具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等基本智能化功能，同时把传 统仪器的专业功能和面板控制软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便 构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器一致，同时又充分享用计算机智能 资源的全新仪器系统1 5 j 1 6 j 。 2 1 2 虚拟仪器的特点 与传统硬件化测试仪器相比，虚拟仪器有以下突出的优点： 1 良好的使用性和扩展性 虚拟仪器的应用软件是实现系统功能的核心，所以仪器的功能可由它的软件 来定义。而且可以根据用户需求的变化，通过修改软件方便灵活的改变、增减系 6 统的规模和功能。系统的扩展、升级可随时进行，实施难度小、周期短。 2 开发成本低 虚拟仪器将部分在传统仪器中需硬件完成的工作转为由软件实现，减少了硬 件设备的使用，从而降低了系统的开发成本和维护成本。同时由于虚拟仪器良好 的扩展性，在改变系统功能时不需要将整个系统重新构建，只对局部软件或硬件 进行调整即可实现，提高了设备利用率进一步降低了开发成本。 3 良好的操控性 虚拟仪器运行在p c 机上的用户应用程序是采用图形化编程技术实现的一种 操控面板。它由用户根据实际需要设计，模拟传统仪器的控制面板对硬件设备进 行控制。测量结果可以通过计算机屏幕以曲线、图形、数据表格等形式显示。 2 1 3 虚拟仪器的系统结构 一个典型的虚拟仪器系统的结构如图2 1 所示。虚拟仪器系统由硬件和软件两 部分构成，硬件通常包括计算机、外围硬件设备和各种总线。软件则包括操作系 统、仪器驱动程序和应用软件。 硬件软俘 叫g 船仪器 lg p 毽接口卡睁 剖串行口仅器b 目 纹 粪 。= 刮嗍总线铰嚣b = 计 操器应 j 一 作驱甩 对 机 系动软 象 c 剖瑷场息线设备i 瑚 统程件 序 刮u s b 总线设备k 两 刮其它总线设备l 嚣 图2 1 虚拟仪器系统结构框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m 1 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件 平台可以是各种类型的计算机。计算机管理着虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪 器的硬件支撑。 按照所采用仪器总线的不同，虚拟仪器大致可分为g p i b 、p x i 和u s b 三种体系 结构。 7 ( 1 ) g p i b 通用接口总线 这种接口总线是计算机和仪器间的标准通信协议，它是最早的仪器总线。g p i b 总线的缺点是数据传输速率较低，一般低于5 0 0 k b i t s ，不适合对系统速度要求较高 的应用，因此在应用上已经受到了一定程度的限制。 ( 2 ) p x i 总线系统 p x i 总线技术是p c i 在仪器领域的扩展，它是n l 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的 开放性、模块化仪器总线规范。p x i 增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、 用于精确定时的星形触发总线，来满足实验和测量的要求。 ( 3 ) u s b 总线系统 u s b 总线技术是一种目前应用最广泛的总线规范。这种总线为用户提供了结 构简单、通用性好的接口。并且这种总线能够支持不同类型、不同速率、稳定的 数据传输。对大多数应用来说，这种总线都能满足其要求。采用配备u s b 总线体 系结构的系统实用性强，应用广泛，而且具有很高的性能价格比，是一种特别适 合于我国国情的虚拟仪器方案。 2 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件和软件资源，使本来由硬件实现的 功能软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。虚拟仪 器的软件框架从底层到顶层包括三部分：虚拟仪器软件结构库( v i r t u a li n s t r u m e n t s s o f t - w a r ea r c h i t e c t u r e ，v i s a ) 、仪器驱动程序、仪器开发软件。图2 2 是虚拟仪器 软件系统结构框图。 匿鬃统管建j 系统管理软件 巨二至亘堕三垂固开发软件 臣匦垂固燃鼬程序 i o 接口 仪器硬件 图2 2 虚拟仪器软件系统结构框图 f i 9 2 2v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r es y s t e mb l o c kd i a g r a m 以下对软件系统结构的各组成部分进行说明。 ( 1 ) v i s a 8 v i s a 是标准的i o 函数库及其相关规范的总称，它位于p c 机系统之中，执行仪 器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。 它对于仪器驱动程序开发者来说是一个可调用的操作函数集。 ( 2 ) 驱动程序 每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。 仪器驱动程序是连接上层应用软件与底层i o 接口软件的钮带。对于应用程序来说， 它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的，仪器驱动程序对于仪器的操作控 制又是通过调用i o 软件所提供的v i s a 函数库来实现的。 ( 3 ) 应用软件 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好 的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。 2 2u s b 总线技术 2 2 1u s b 技术概述 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文就是“通用串行总线”。它不但 是一种新的总线标准，而且也是应用在p c 领域的一种新型接口技术【7 】 1 1 0 】。 过去，电脑系统连接外围设备的接口并无统一的标准，连接键盘用p s 2 接口， 连接打印机要用2 5 针的并行接口。u s b 将这些不同的接口统一起来，使用一个四 针插头作为标准接口。通过这个标准接口，采用菊花链形式可把所有外设连接起 来，并且不会损失带宽。近年来u s b 技术已成为计算机领域发展最快的技术之一， 并且为越来越多的个人电脑使用者所接受。 u s b 是f l ：t c o m p a q 、d i g i t a le o u i p m e n t 、i b m 等七家公司共同开发的一种新的 外设连接技术。经过长期的准备，1 9 9 6 年1 月，这七家公司公布了u s b 总线协议1 o 版，这是u s b 发展史上具有里程碑意义的一页。随后经过近两年的完善与修改， 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。虽然u s b l 1 接口已经被广泛应 用，但其传输速率还仅限于1 2 m b s 。针对传输速率比较低的缺点，在2 0 0 4 年4 月发 布的u s b 2 0 协议中增加了高速模式。u s b 2 0 是u s b 规范版本更新的一大飞跃，它 加入了许多高速传输的特性支持，e l u s b l 1 版本增涨了4 0 倍的传输速率，达至t j 4 8 0 m b s ，这给打印机、扫描仪、硬盘以及影像设备的应用带来了极大的方便。同时 由于u s b 2 0 与u s b l 1 兼容，它们使用相同的连接器和电缆，从而有效降低了系统 更新的成本和难度。u s b 技术j 下在不断的发展和完善，支持u s b 技术的新型外设也 在不断涌现。可以预见，以后的计算机主板上将没有p s 2 、c o m 等规格不一的外 9 设接口，取而代之的是数个u s b 接口，所有外设都通过这一接口连接。 2 2 2u s b 系统 对于u s b 设备使用者来说，u s b 系统就是u s b 设备与主机的简单连接，但在具 体实现上，系统要比表面看起来的复杂得多。从研究开发u s b 设备的角度来看， u s b 系统可分为三个部分，分别是u s b - 0 _ 连、u s b j e 机和u s b 设备【7 1 。图2 3 是u s b 系统分层结构图： 主机互连物理设备 i _ 瞄翰豳呤 ：= = 实琢通信漉逻辑通信流 图2 3u s b 系统分层结构图 f i 9 2 3u s bs y s t e mh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ( 1 ) u s b 互连 u s b 的互连是指u s b 设备与主机之间进行连接和通信的操作，其主要包括以下 几个方面：总线的拓扑关系、层问关系、数据流模式和u s b 调度。 u s b 系统中设备与主机采用星形拓扑结构连接。 层间关系是指u s b 任务被分配到系统的每一层并完成这个特定任务。 数据流模式描述了数据在系统中通过u s b 从产生方到使用方的流动方式。 u s b 调度是指u s b 提供一个共享的连接，对可以使用的连接进行调度，以 支持同步数据传输，并且避免了优先级判别的开销 ( 2 ) u s b 主机 在任何u s b 系统中只有一个主机。u s b 与主机系统的接口称作主机控制器。主 机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。其中软件部分主要包含客户软件和系 统软件。 客户软件用来控制u s b 设备的功能单元实现其特定功能。这个软件需要开发 人员根据设备要实现的功能自主开发。客户软件一般包括u s b 设备驱动程序和用 l o 户应用程序两部分。u s b 设备驱动程序负责和u s b 系统软件进行接口，它向u s b 总线驱动程序发出i o 请求包( i or e q u e s tp a c k e t ，i r p ) 以启动一次u s b 数据传输。 用户应用程序负责和u s b 设备驱动程序进行接口，以控制u s b 设备工作，并向用户 提供可视化的操作工具。 u s b 系统软件负责在一个u s b 设备使用前对其进行一系列初始化操作，包括为 其分配所需的主机资源、设置u s b 参数等。并且u s b 系统软件还需要完成u s b 数据 传输的具体实施工作。通常它由操作系统提供，不需要研发人员自行设计。 u s b 总线接口包括主控制器和根集线器两部分。主控制器负责将客户软件启 动的数据传输转化为u s b 总线上实际的串行通信流，使数据可以通过以根集线器 为起点的拓扑结构进行传输。该模块与u s b 系统软件的接口由主控制器的硬件实 现，不需要研发人员自行设计。 ( 3 ) u s b 设备 u s b 设备为主机提供其所需的特定功能，例如连接键盘和鼠标、传输文件等。 所有u s b 设备从设计开发的角度来看都可分为三部分：u s b 总线接口、u s b 逻辑 设备和功能单元。u s b 总线接口是由是u s b 芯片的串行接口引擎( s e r i a li n t e r f a c e e n g i n e ，s i e ) 实现的；u s b 逻辑设备是端点的集合，端点是u s b 设备中实际的 物理单元；功能单元则是接口的集合。 端点是u s b 设备中实际的物理单元，是一个存储数据的缓冲器或内存的一部 分【l o 】。它作为数据的缓冲区，一般由u s b 接口设备提供。u s b 设备的每个端点都 有唯一的一个端点号，各个端点所支持的数据传输方向也是确定的，即输入或是 输出。利用设备地址、端点号和传输方向就可以指定一个端点，并和它进行通信。 端点的传输特性还决定了其与主机通信时所采用的传输类型，如控制端点只能采 用控制传输。根据端点号的不同，可将其分为以下两种类型： 0 号端点 0 号端点比较特殊，它有i n 和o u t 两个物理单元，但只有一个端点号，并且 只能支持控制传输。所有u s b 设备都必须包含0 号端点，用作缺省控制管道。u s b 系统软件就是使用该管道和u s b 逻辑设备进行配置通信的。对u s b 系统软件而言， 0 号端点在u s b 设备连接、上电或复位后就有效了。但对客户软件来说，只有在 u s b 设备被正确配置后，才可以使用0 号端点。 非0 号端点 根据具体应用的需要，u s b 设备还可以含有多个非o 号端点。对于低速设备， 其附加端点最多为2 个；对于全速或高速设备，其附加端点最多为1 5 个。这些端 点可以存储接收到的或要发送的数据，但一旦完成配置后其方向就确定了。 管道是在数据传输时主机软件和u s b 设备各个端点之间的连接，它可以被看 作是数据传输的通道，图2 4 是管道的示意图。 图2 4 管道 f i 9 2 4u s bp i p e s 图2 4 中的管道用于客户软件和u s b 设备功能单元之间的通信。管道是对主 机和u s b 设备间通信流的抽象，它表示主机的数据缓冲区和u s b 设备的端点之间 存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由u s b 总线接口层来完成的。管道和 u s b 设备中的端点一一对应，且端点类型决定了管道中的数据传输类型。不论存 在多少条管道，在各管道中进行的数据传输都是相互独立的。0 号端点构成的管道 称为缺省管道，该管道可以支持i n 传输和o u t 传输。u s b 系用软件就是使用缺 省管道对u s b 逻辑设备进行配置。 2 2 3u s b 数据传输 u s b 通过管道在主机缓冲区与设备端点间传输数据，并且u s b 提供不同的数 据传输类型，使之尽可能满足客户软件和设备功能的服务要求。u s b 定义了四种 传输类型： ( 1 ) 控制传输 控制传输适用于突发式、非周期性的由主机软件发起的请求或相应的数据传 输。通常控制传输用于发送和接收与u s b 设备配置信息有关的数据，如设备地址、 配置描述符等。 ( 2 ) 同步传输 同步传输适用于在主机与设备之间周期性的、连续的数据传输。这种传输类 型保证了数据传输的及时性，但却牺牲了对数据传输的差错控制和重试机制，不 能保证每次数据传输都是成功的。 ( 3 ) 中断传输 1 2 中断传输适用于传输数据量少且对服务周期有要求的数据传输。u s b 为中断 传输保留了总线带宽，保证了数据传输的及时性。并且通过差错控制和重试机制， 保证了数据传输的正确性。 ( 4 ) 块传输 块传输适用于传输大量的并且对传输速率和传输时间没有要求的数据传输。 块传输方式可以根据总线带宽的占用情况调整数据的传输速率。采用这种传输方 式其传输的时间和速率得不到保证。 2 2 4u s b 事务处理 事务处理是u s b 总线上数据传输的基本单位。通常，一个典型的事务处理由 三个阶段组成：令牌阶段、数据阶段和握手阶段，其中数据阶段和握手阶段是可 选的【刀。事务处理的组成如图2 5 所示。 主机主机鹏b 设备u s b 设备庄机 厂l _ 、厂入弋厂一、 区瞪匮 珂匮匪 令牌阶段数据阶段握手阶段 图2 5u s b 事务处理 f i 9 2 5u s bt r a n s a c t i o n s 事务处理各阶段的功能如下： ( 1 ) 令牌阶段：表示事务处理的开始，并定义了传输类型。 ( 2 ) 数据阶段：负责传输相关的数据，长度最大为1 0 2 4 字节。 ( 3 ) 握手阶段：用于报告事务处理的状态，以表明数据接收是否成功。 根据令牌包种类的不同，u s b 事务处理可分成多种不同的类型，包括i n 事务、 o u t 事务、s e t u p 事务、p i n g 事务等。 2 3 本章小结 本章介绍了在激光超声模拟驱动源设计中的两个关键技术一虚拟仪器技术和 u s b 总线技术。分析了虚拟仪器软硬件系统结构，u s b 总线的主机系统、数据传 输和事务处理。通过对技术理论的研究，为实际的系统设计奠定了良好基础。 3 系统硬件设计与实现 硬件是激光超声模拟驱动源的实体部分，它位于虚拟仪器系统结构的最底层。 本章将首先说明激光超声模拟驱动源硬件的整体设计方案，然后分别对硬件的各 功能模块进行详细阐述。 3 1 设计方案 系统硬件电路的主要任务是实现数据传输和数字信号与模拟信号间的转换。 利用u s b 2 0 数据传输速率高的特点，可以实现高速信号的发送。系统采用u s b 接 口芯片、高速d a 芯片、f i f o 存储器芯片和c p l d 芯片作为激光超声模拟驱动源硬 件电路的核心功能器件，以实现数据传输功能。系统硬件的结构如图3 1 所示。 u s b 外设 图3 1 激光超声模拟驱动源硬件结构框图 f i 9 3 1l a s e r u l t r a s o u n da n a l o gd r i v i n gs o u r c eh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m 系统的硬件由四部分构成： 1 u s b 接口电路： 该部分电路的核心器件是支持u s b 2 0 协议的u s b 接口芯片。在本设计中选取 了c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 芯片，它的具体型号是c y 7 c 6 8 0 1 3 。u s b 接口芯片的 主要功能是按照u s b 协议对传输的数据进行编