激光多普勒測量技術(shù)（LDT）具有精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大，非接觸測量的特點(diǎn)，成為氣體、流體測量的強(qiáng)有力的工具。近年來，它在固體測量領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于固體表面的粗糙度、運(yùn)動(dòng)速度場、位移場、振動(dòng)場等的精密測量。它的迅猛發(fā)展對(duì)信號(hào)的采集提出了越來越高的要求：高動(dòng)態(tài)范圍、低功耗、便于攜帶、能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)傳輸。針對(duì)這種要求，提出了一種基于USB的LDT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

USB（Universal Serial Bus）總線是由Intel，Com－paq，Microsoft，IBM，DEC，Northern Telecom等7家公司共同研制的一種針對(duì)PC的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。它的熱插拔、即插即用、連接簡單、高帶寬、可總線供電等優(yōu)點(diǎn)幾乎使其成為目前計(jì)算機(jī)外設(shè)的首選通信接口。

該文依據(jù)的是USB1．1協(xié)議規(guī)范，總線一共4根：5V電源線、地線及兩根以差分形式驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)線D＋、D－。連接設(shè)備的電纜最長可達(dá)5 m，通過USB集線器以菊花鏈拓?fù)湫问綄?shí)現(xiàn)多達(dá)5級(jí)的拓?fù)溥B接，可外接127個(gè)USB設(shè)備。USB總線可以提供5V、500mA電流，并支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式。它規(guī)定的12Mbps傳輸速率，與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行口相比，大約快出100倍，與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并行口相比，大約快出10倍。

1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1．1硬件總體結(jié)構(gòu)

USB實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件如圖1-1所示。DSP控制器TMS320F240內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括兩個(gè)獨(dú)立的采樣／保持電路和兩個(gè)10位雙積分型的轉(zhuǎn)換器，16路模擬輸入通道，可同時(shí)轉(zhuǎn)換2路信號(hào)。

16路模擬輸入信號(hào)由多路模擬開關(guān)選擇被檢測信號(hào)接入A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)TMS320F240寫入FIFO存儲(chǔ)器。

TMS320F240通過信號(hào)線IS選通USBN9603，將其作為DSP的I／O口訪問。USBN9603的D＋腳外接一個(gè)1．5K的上拉電阻，使其工作在全速方式下，USBN9603的MODE1、MODE2均接至地電位，設(shè)定USBN9603為非總線復(fù)用方式。操作時(shí)序是將地址線A0置高，將欲讀寫的地址從數(shù)據(jù)線D0～D7寫入，然后將A0置低，讀寫D0～D7中的數(shù)據(jù)。

由DSP對(duì)A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行FFT分析、小波分析等，并通過USBN9603與主機(jī)交換數(shù)據(jù)，接收控制命令。

1．2USBN9603控制器

目前市場上有兩類USB接口控制器：一類是帶USB接口的MCU，如Cypress的CY7C6xxxx第列、Intel的930xx系列等，嵌入了8051系列微控制器。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集大家都比較熟悉，便于硬件開發(fā)和軟件編程，然而開發(fā)工具較昂貴。另一類是專用接口控制器，如朗訊公司的USS820、國家半導(dǎo)體公司的USBN960x、PHILIPS公司的PDIUSBD11等，都留有與MCU、DSP的接口，搭配靈活。

USBN9603是一個(gè)支持USB1．1協(xié)議的節(jié)點(diǎn)控制器。具有靜態(tài)模式和異步喚醒功能；5V／3．3V供電；具有一個(gè)雙向的控制節(jié)點(diǎn)Endpoint0、3個(gè)發(fā)送端點(diǎn)、3個(gè)接收端點(diǎn)；具有兩種模式的8位并行接口（復(fù)用模式和非復(fù)用模式）；改進(jìn)的DMA傳輸方式；串行接口引擎SIE，主要負(fù)責(zé)時(shí)鐘恢復(fù)、EOP檢測、位填充、位解填充、CRC編解碼、組幀、拆幀、包類型識(shí)別及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)識(shí)別等。

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

USB系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：USB外設(shè)端的固件、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序。應(yīng)用程序通過客戶驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)USBDI（USBDevice Interface）進(jìn)行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的傳送動(dòng)作，固件則響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。

2．1固件（firmware）設(shè)計(jì)

固件是指被固化到TMS320F240中的程序。它完成兩個(gè)任務(wù)：控制A／D的采樣和通過USB控制器與主機(jī)通信。USB有控制、中斷、批量、等時(shí)等4種數(shù)據(jù)傳輸模式。其中控制傳輸用于傳送一些系統(tǒng)控制命令，每個(gè)USB設(shè)備都必須有控制傳輸?shù)耐ǖ?；中斷傳輸適用于鼠標(biāo)等人工輸入的設(shè)備使用；等時(shí)傳輸適用于對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高的場合，如視頻、音頻數(shù)據(jù)，但其設(shè)備和進(jìn)程的同步設(shè)計(jì)有較大難度，且它不能提供錯(cuò)誤檢查機(jī)制；批量傳輸能提供錯(cuò)誤檢查機(jī)制，適用于打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等不定期傳送大量數(shù)據(jù)的中速設(shè)備。

系統(tǒng)采用兩種傳輸方式：控制傳輸和批量傳輸?？刂苽鬏斢脕韺?shí)現(xiàn)位于主機(jī)上的USB總線驅(qū)動(dòng)程序（USBD模塊）以及編寫的功能驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)備的各種控制操作；批量傳輸用來完成將采集數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到主機(jī)。

2．2驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序采用分層驅(qū)動(dòng)模型：USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、USB函數(shù)層。其中函數(shù)層由通用串行總線驅(qū)動(dòng)程序模塊（USBD）和主控制器驅(qū)動(dòng)程序模塊（HCD）組成。它由Windows98提供，負(fù)責(zé)管理USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和USB控制器之間的通信；加載及卸載USB驅(qū)動(dòng)程序；與USB設(shè)備通用端點(diǎn)建立通信來執(zhí)行設(shè)備配置、數(shù)據(jù)與USB協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務(wù)。

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是開發(fā)USB外設(shè)的一個(gè)關(guān)鍵，它的設(shè)計(jì)是基于WDM（Win－dows Driver Model，Windows驅(qū)動(dòng)程序模型）。目前，Win－dows98提供了多種USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但并不針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，需要Win－dows98／NT／2000 DDK開發(fā)包和SoftICE等調(diào)試工具。它可由4個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)：初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊以及I／O功能實(shí)現(xiàn)模塊。

初始化模塊提供一個(gè)Driver Entry入口函數(shù)，來對(duì)所有的I／O請(qǐng)求包IRP（I／ORequest Packet）處理例程作定義。電源管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的掛起與喚醒。

當(dāng)USB設(shè)備上電時(shí)，主機(jī)會(huì)向USB控制器發(fā)送獲得設(shè)備描述的命令，設(shè)備描述符是一個(gè)固定長度為18字節(jié)的數(shù)字序列，反映了該USB設(shè)備的基本屬性。當(dāng)USB控制器從USB總線檢測到這一命令時(shí)，USB控制器以中斷方式將此請(qǐng)求通知到TMS320F240。TMS320F240通過訪問USB控制器的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，獲得各種參數(shù)，向主機(jī)返回配置所包含的所有接口和接口所包含的所有端點(diǎn)的描述符。主機(jī)獲得后，設(shè)備與主機(jī)的“握手”就初步完成了。

即插即用管理模塊實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的熱插拔及動(dòng)態(tài)配置。當(dāng)硬件檢測到USB設(shè)備接入時(shí)，Win－dows98查找相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并調(diào)用它的Driver En－try例程，即插即用管理器調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的Add De－vice例程，告訴它添加了一個(gè)設(shè)備；然后，驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閁SB設(shè)備建立一個(gè)FDO（功能設(shè)備對(duì)象），在此處理工程中，驅(qū)動(dòng)程序收到一個(gè)IRP－MN－START－DE－VICE的IRP，包括設(shè)備分配的資源信息。至此，設(shè)備被正確設(shè)置，驅(qū)動(dòng)程序開始與硬件對(duì)話。當(dāng)然，設(shè)備運(yùn)行過程中，如果設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生變化（暫停、拔出等），即插即用管理器也同樣發(fā)出相應(yīng)的IRP，由驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。

I／O功能實(shí)現(xiàn)模塊完成I／O請(qǐng)求的大部分工作。當(dāng)應(yīng)用程序提出I／O請(qǐng)求時(shí)，它調(diào)用Win32 API函數(shù)DeviceIoControl來向設(shè)備發(fā)出命令。然后，由I／O管理器構(gòu)造一個(gè)IRP，并設(shè)置其MajorFunction域?yàn)镮RP－MJ－DEVICE－CONTROL。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序收到該IRP后，根據(jù)其中的控制碼，構(gòu)造相應(yīng)的USB請(qǐng)求塊，并把它放到一個(gè)新的IRP，此IRP被傳遞到USBD模塊。USBD模塊根據(jù)此IRP執(zhí)行相應(yīng)的操作，并把結(jié)果通過IRP返回給USB功能驅(qū)動(dòng)程序。USB功能驅(qū)動(dòng)程序接到此IRP后，將操作結(jié)果再通過IRP返回給I／O管理器。并由I／O管理器將結(jié)果最終返回給應(yīng)用程序，至此，對(duì)USB設(shè)備的一次I／O操作完成。

2．3應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

PC主機(jī)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心，其基本功能有開啟或閉合USB設(shè)備、檢測USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道、設(shè)置A／D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實(shí)時(shí)從USB接口采集數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)。

此外，具有數(shù)據(jù)分析功能包括數(shù)字濾波模塊、線性化處理模塊、解調(diào)模塊、PLL鎖相環(huán)倍頻模塊、標(biāo)度變換模塊、與下位機(jī)的通信模塊、下位機(jī)的控制字生成模塊和數(shù)據(jù)庫的管理模塊等幾個(gè)部分。

3、結(jié)束語

為了提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，所設(shè)計(jì)的激光多普勒測量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過了測試USB外設(shè)功能的一系列軟件如Bwqlinst，USBComp等，完成了高精度數(shù)據(jù)采集和高速數(shù)據(jù)傳送。

責(zé)任編輯：gt