CCD信號采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計

李 虹，常丹華
(燕山大學(xué)信息學(xué)院 河北秦皇島）

引 言

CCD(ChargeCoupledDevices)電荷耦合器件是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體集成光電器件。由于CCD器件具有諸多優(yōu)點：靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、空間自掃描等，使得近30年來，CCD器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的進(jìn)展，特別是在圖像傳感和非接觸測量領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。目前，CCD應(yīng)用技術(shù)已成為集光學(xué)、電子學(xué)、精密機械及微計算機為一體的綜合性技術(shù)，在現(xiàn)代光子學(xué)、光電檢測技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)中成果累累。隨著CCD技術(shù)的迅猛發(fā)展，針對CCD信號的采集及采集之后的信號如何與計算機進(jìn)行信息通信就成為CCD應(yīng)用的一個重要問題，而能夠針對CCD每一個象素進(jìn)行高速采集并實時的傳輸給計算機處理，將會大大的提高采集到的CCD信號的并解決實時處理的問題，這在CCD信號采集和處理領(lǐng)域都將有非常廣闊的前景。

通用串行總線USB(UniversalSerialBus)是1995年由康柏、微軟、IBM，DEC等公司為解決傳統(tǒng)總線不足而推廣的一種新型的通信標(biāo)準(zhǔn)。USB總線接口具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率、使用靈活、易擴展等優(yōu)點，非常適合CCD的數(shù)據(jù)采集。他有低速、全速和高速三種工作方式，即USBl．1版本中．的低速模式和全速模式，低速模式的傳輸速率為1．5Mb／s，支持一些不需要很大數(shù)據(jù)吞吐量和很高實時性的設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤等；全速模式的傳輸速率可以達(dá)到12Mb／s。，可以外接速率更高的外設(shè)，適合用于線陣CCD的數(shù)據(jù)采集。在USB 2．0版本中，增加了一種高速模式，其數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到480Mb／s，完全可以滿足高速CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要。

2 接口硬件組成

本系統(tǒng)選用高速的AD(模數(shù))轉(zhuǎn)換器，用于采集CCD信號，配以先進(jìn)先出(FIFO)存儲器作為數(shù)據(jù)高速緩沖器，用于存儲AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并采用具有微控制器的USB接口芯片，從而通過USB接口將采集到的數(shù)據(jù)輸入計算機。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

其中使用CPLD技術(shù)完成本采集系統(tǒng)的控制模塊。CPLD(可編程邏輯器件)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今設(shè)計數(shù)字電路為流行的方式，他可以將數(shù)字電路集成到一塊芯片上，大大減小了電路板的體積和可靠性，而且他的可編程性使得設(shè)計好的電路在升級和修改上變得非常簡單和方便。
USB控制芯片選用Cypress公司EZ-USB系列的AN2131QC，片內(nèi)嵌有一個增強型的8051微控制器，并使用片內(nèi)RAM作程序和數(shù)據(jù)存儲器，使得芯片具有軟特性，允許客戶隨時不斷地設(shè)置和升級。內(nèi)部框圖如圖2所示。

EZ-USBAN2131QC符合USB規(guī)范1．1版本，有4種傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸。其中同步傳輸又有2種方式，即普通讀寫方式和快速讀寫方式。在本系統(tǒng)中采用的是快速讀寫方式，使得芯片可以在0．5 ms內(nèi)讀寫1 kB的數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

軟件主要分為3部分：USB芯片的固件程序、USB設(shè)備驅(qū)動程序以及主機的用戶應(yīng)用程序。固件響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。USB-驅(qū)動程序為USB采集系統(tǒng)提供了應(yīng)用軟件與USB設(shè)備的接口，他的開發(fā)使USB廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為可能。而應(yīng)用軟件則實現(xiàn)用戶與采集系統(tǒng)的交互，完成數(shù)據(jù)采集命令，進(jìn)行實時顯示。

3．1 固件程序代碼

由USB芯片集成的加強型8051單片機來處理，當(dāng)EZ-USB設(shè)備連接到USB口時，主機進(jìn)行總線枚舉，根據(jù)設(shè)備ID先使用系統(tǒng)程序?qū)⒐碳叫酒瑑?nèi)部，然后進(jìn)行重枚舉，固件作為用戶的功能設(shè)備開始執(zhí)行。

Cypress公司提供固件程序框架，來完成控制傳輸和大部分的數(shù)據(jù)傳輸工作。本采集系統(tǒng)的固件程序就是基于此固件框架開發(fā)的，使用KeilC進(jìn)行編譯。程序流程圖如圖3所示。

圖3中：TD_Init()為初始化全局變量；TD_Poll()為用戶功能；TD_Suspend()為響應(yīng)掛起事件；TD_Resume()為響應(yīng)外部喚醒事件。
EZ-USB使用8051的INT2來響應(yīng)21種USB中斷，自動矢量(Autovector)機制幫助使8051內(nèi)核進(jìn)入相應(yīng)的ISR(Interrupt Service Routine中斷服務(wù)例程)。在初始化函數(shù)中加入使能EZ-USB的SOF(幀起始)中斷語句，可以開始同步傳輸。每1 ms開始發(fā)生SOF中斷，標(biāo)志幀的開始。在SOFISR中從外部FIFO讀取一個包長度的字節(jié)數(shù)據(jù)到端點緩沖區(qū)中。

3．2 驅(qū)動程序設(shè)計

USB客戶驅(qū)動程序是支持即插即用功能的標(biāo)準(zhǔn)WDM(Windows Driver Model)驅(qū)動程序，這是分層的驅(qū)動程序模型，即設(shè)備驅(qū)動被分成了若干層，典型地分成：高層驅(qū)動程序、中間層驅(qū)動程序、底層驅(qū)動程序。每層驅(qū)動再把I／O請求劃分成更簡單的請求，以傳給更下層的驅(qū)動執(zhí)行。層的驅(qū)動程序在收到I／O請求后，通過硬件抽象層，與硬件發(fā)生作用，從而完成I／O請求工作。在這樣的架構(gòu)下，上面的驅(qū)動層就不需要對每個操作系統(tǒng)都要開發(fā)一遍了。USB客戶驅(qū)動程序接收I／O管理器發(fā)來的IRP(I／ORequestPacket)，構(gòu)造URB(USBRequest Block)傳遞給主控制驅(qū)動程序接口USBDI。在USBDI的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程將大大簡化，用戶不用關(guān)心IRP的類型，而只需要在相應(yīng)的分發(fā)例程中通過構(gòu)造URB(USBRequestBlock)并將其通過USBDI發(fā)送下去就可以實現(xiàn)對USB設(shè)備的控制了。

開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序的工具目前廣泛應(yīng)用的主要有2類：

(1)Windows DDK(Device Driver Kits)，DDK基于匯編語言的編程方式和內(nèi)核模式的調(diào)用，對沒有深厚的操作系統(tǒng)原理和編程水平的人員來說，任務(wù)相當(dāng)艱巨。

(2)NuMega公司的Driverstudio工具開發(fā)包，其中的DriverWorks實際上實現(xiàn)了對DDK類的封裝，可以提供給用戶驅(qū)動程序的開發(fā)框架，只需用戶在相應(yīng)的代碼段中加入自己系統(tǒng)的控制代碼即可，不必了解內(nèi)核機制，大大加速了USB外設(shè)的開發(fā)速度。本系統(tǒng)就是使用DriverWorks來開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序的。生成的應(yīng)用接口函數(shù)在VC"中調(diào)用，大大降低了主機軟件的難度。

3．3 用戶應(yīng)用程序設(shè)計

應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的功能有：啟動／關(guān)閉USB設(shè)備，設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道／端口，采集數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)等。這里，采用VisualC++6．0作為程序的開發(fā)環(huán)境，并且充分運用了多線程的編程思想。從而實現(xiàn)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與實時顯示。

為了實現(xiàn)與驅(qū)動程序的通信，應(yīng)用程序首先創(chuàng)建一個事件和一個線程，再將事件句柄傳遞給WDM，用這一線程來等待WDM發(fā)送的事件消息，接收到事件消息后，就讀取驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)。

在Windows中，Win32應(yīng)用程序調(diào)用的APl函數(shù)有5個；CreateFile()，ReadFile()，WriteFie()，DeviceloControl()和CloseHandle()。
應(yīng)用程序為打開一個WDM設(shè)備驅(qū)動程序，使用CreateFile()函數(shù)。他的個參數(shù)是一個符號鏈接名。如果用DriverWorks創(chuàng)建一個WDM驅(qū)動程序，通常會用類KUnitizedName生成一個設(shè)備符號鏈接名。這名字的后面有一個數(shù)字，一般是一個o。例如，若符號鏈接名為"USBDevice"，則傳遞給CreateFile()的是"＼＼＼＼．＼＼USBDevice0"。

一旦應(yīng)用程序獲得設(shè)備的有效句柄，他就能夠調(diào)用Win32函數(shù)，這將產(chǎn)生對應(yīng)于此設(shè)備對象的相應(yīng)IRP，發(fā)送給驅(qū)動程序，完成相應(yīng)功能。這種關(guān)系如表1所示。

4 結(jié) 語
本采集系統(tǒng)利用USB技術(shù)實現(xiàn)與計算機通信，有眾多的優(yōu)點：
①安裝方便，支持即插即用。
②供電方便，可直接由主機通過USB接口提供5V的電壓。
⑧性價比高，遠(yuǎn)優(yōu)于并行口和串行口的CCD圖像采集系統(tǒng)。