中文翻译-基于ARM与线性CCD的高速数据采集系统

中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 5 页基于 ARM 与线性 CCD 的高速数据采集系统摘要本文介绍了一个基于 ARM 的线性 CCD 高速采集系统，系统中选择了高速线性 CCD 和高速 ADC。因为 ADC 的采样速度相对 ARM 的工作时钟频率较慢，所以使用 CPLD 和 FIFO 作为 A/D 和 ARM 之间的 I/O 接口。它使电路工作在更加平稳、简洁而易于控制，同时也提高了 ARM 的工作效率。为了提高通信速度，这里采用通用串行总线（USB）技术来与 PC 进行通信。 ARM 是用来控制主处理器的数据采集，数据的计算和数据传输。结果证明，整个系统能高效运作。该系统可应用于高速数据采集及多路模拟信号的工作环境下。关键词：ARM；线性 CCD；接触线；受电弓；错开值1 引言在电气化铁路，为了扩大对电力机车受电弓的寿命，所以要使受电弓滑块磨损均匀，接触线的直线段（电气化铁路供电线）排列为曲折路线（弯段被安排成折线的形式） 。之间的接触线的定位点和受电弓轨道中心线距离称为错开值，这是一种接触线的关键指标。错开值是不可忽视的，这个值过小会影响到受电弓滑块磨损的均匀性，从而影响到延长使用寿命的目的，然而，在某些情况下（比如陷入了激烈的风中） ，造成大范围的在屋部的横向运动（并且速度越快，受电弓的左右摆动越剧烈） ，接触线将在某些部分将会超过受电弓的有效工作长度，从而使错开，接触线值超出标准范围的错开值，导致了当前连接的破坏，甚至导致了会产生受电弓事故的错误运行。受电弓与滑触线发生故障，将导致列车正常运行的中断，从而对铁路运输产生严重的影响。为了避免这些情况，错开值及其变化应经常性地予以测试。因此，一个机车的接触线式在线监测系统，及与其配套的数据采集系统被开发出来，它的工作是实时地、迅速地计算错开值。2 系统组件系统硬件组成如图 1 所示。该系统由下列部分组成：（1）采用东芝公司的高速线阵 CCD 实现接触线影像的中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 5 页数字化（CCD 输出对应的时间序列位置的信号） ， （2）采用 Atmel 公司 ARM9 系列处理器中的 AT91RM9200，实现了数字信号的采集和处理；（3）采用PDIUSBD12 的 USB 接口设备，完成测量系统与 PC 机之间的数据通讯。由于它改进型的哈佛结构，特殊的指令系统以及迅速实现各种信号处理的特点，ARM 处理器被广泛应用于图像处理，通信，雷达，声纳，精密机械等领域。ARM 处理器正因其算术速度和总线宽度而被采用。随着实时信号分析和计算都需要很快运算速度，所以系统选择了 ATMEL 公司的 ARM 芯片 AT91RM9200。该芯片是基于 ARM920T 的，高性能，低功耗的 16/32 位 RISC（精简指令集计算机）微控制器，它集成了一套丰富的外围设备的应用，并在那些需要一大批外围设备，并能在低功耗的外设和严格稳定工作的工业控制应用中，提供了一个单芯片的解决方案。图 1 系统硬件组成3 CCD 数字图像的实时处理与传输为了实现实时的数字图像的传输，几大影响实时传输的因素应该予以解决：第一，线阵 CCD 的数据采集速度；二是线阵 CCD 和 ARM 处理器之间的传输速度；第三是 ARM 处理器和计算机之间的数据传输速度。下面将给以详细描述。A.线阵 CCD 的采集速度采集速度对于图像传感器来说，是一个关键的性能指标，这里采用东芝公司的 TCD1209D 线阵 CCD 来满足目标要求。它可工作在可高达 20MHz 的时钟脉冲频率下，所以对高速条件下的尺寸测量和动态分析特别适合。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 5 页图 2 TCD1209D 及它的时序线阵 CCD TCD1209D，以及它的时序图如图 2 所示。B.CCD 和 ARM 处理器之间的传输速度为了提高 CCD 的数据采集速度，减少转换时间，现使用高速 A/D 转换器，以使它在高速环境下与 ARM 处理器进行数据交换。这里选择 ADC08200，Analog公司的一个纳秒级转换器。这是一个单通道，8 位的 A/D 转换器，它可以在一较宽的温度范围内工作，转换速度快，工作时的转换速率高达 230 MSPS，从而实现整个线阵 CCD 的信号采集。ADC08200 如图 3 所示。图 3 ADC08200FIFO 用于作为数据缓冲区，协调了 ARM 处理器和 ADC 的速率。这是一个两端口（输入和输出端口）的，临时性存储的，先入先出的数据存储器。由于向FIFO 中写入数据的时间远远小于 A/D 转换的时间，因此，数据采集的速度取决于 A/D 转换的速度。为了提高整个测量系统的速率，整个电路的时序是由 CPLD 的精确控制，以使电路协调地工作。 CCD 驱动信号，积分时间控制，地址译码，A/D 转换控制，数据缓冲和数据采集逻辑功能都集成在 CPLD 上，使得整个电路结构简单，功能中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 5 页可靠。为了进一步提高系统的速度，当系统启动时，系统程序被传送到高速 SRAM去运行，并且使用高速 SRAM 来存储数据；SRAM，SDRAM 应尽量靠近 ARM 处理器放置，而信号线应尽可能地最短。ARM 处理器（AT91RM9200）作为整个硬件系统的信号处理内核，需要读取存储在 FIFO 中的 CCD 光强信号，应用相应的算法计算 CCD 中接触线图像的分布，并通过 USB 把结果传送给从属计算机。C.ARM 处理器和计算机之间的传输速度为了提高数据传输速度，减少传输延迟，USB 接口用于数据传输。 USB1.1接口支持低速和全速传输，数据传输速率在低速模式下已经达到了 1.5Mbps，全速模式下传输速率可达 12Mbps。这里采用飞利浦公司的 PDIUSBD12。当一个 USB 设备插入到 PC，PC 机会自动枚举 USB 设备。当检测设备插入时，电脑发送查询请求。 USB 设备便响应请求并发送设备供应商的 ID 和产品的ID；电脑根据这两个 ID 加载相应的设备驱动程序以完成枚举过程。PC 端的 USB 设备驱动程序由 WinDriver 完成编写。 PC 与 USB 设备之间的数据通信主要包括两个方面：首先，阅读样本数据；第二，发送控制命令到数据采集系统。4 CCD 图像识别算法ARM 处理器主要负责错开值的解决；这是个图像识别的过程，包括背景的分离和图像数据中特征的提取。图像识别只在于图像的灰度；这里采用标准差阈值法进行跟踪。该图像是由黑色和白色纹理组成的，并且灰度变化较大，有很大的标准偏差；还有背景灰度分布较为平滑，有较小的标准偏差。因此，把每个点作为它那一组像素点的中心，计算出它的标准偏差，得出值超过一定的阈值的点确定为前台点，或作为背景。该系统不仅是测量接触线的即时位置，还计算了接触线的磨损程度，以评估它的使用寿命。通过随后对采集到数据的回放，相关的 PC 软件支持着系统来检查错开值的情况，以及接触线磨损，并且决定是否予以调整和更换。5 提高系统可靠性的措施中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 5 页高速数据采集系统会不可避免地受到外部环境的干扰。由于测量系统周围复杂的环境，许多因素会干扰到系统。27.5KV 的高压滑触线周围的电磁干扰所产生的影响很大；受电弓的分离将带来电弧火花，这种现象会干扰通讯线路沿线的高频电磁波，因此，需要采取一些必要的抗干扰措施。为了提高抗干扰能力，这里采用的抗干扰措施如下：采取抗干扰的 PCB 电路设计，以减少系统的外部干扰；所有电