基于USB的嵌入式CCD图像数据采集系统的实现

CCD图像数据的采集与普通视频信号的采集相比，其最大的特点是数据传输速率高，传输通道多。目前，通用的CCD图像数据采集方法是在计算机中插入高速数据采集卡，采集卡与CCD相机间通过点对点物理层接口(如RS-422、RS-485)进行数据传输，高速数据采集卡接收到数据并通过PCI总线将数据写入计算机内存，然后利用采集卡的存储功能将数据通过IDE接口写入计算机硬盘。这种方法虽然简单可靠，但对多通道、高速图像数据的采集在数据传输和存储方面有一定的局限，容易引起数据帧的丢失，并且随着传输通道的增多，引起传输导线数量增加，系统功耗及噪声也随之增大。通用串行总线USB能很好地解决这些问题，具有连接方便、无需外接电源、即插即用、支持热插拔、高带宽、低功耗、低成本、动态加载驱动程序，级联星型拓扑结构扩充外设数量等特有优点，在主机和数据采集系统之间可以实现简单、快捷、双向、可靠的连接和通讯。

1 硬件设计

系统设计应具有稳定性、灵活性、通用性等特点。稳定性是指不仅要保证数据的无失真传输，而且要保证数据连续无丢帧存储。灵活性体现在系统的信号输入路数、系统的存储容量、磁盘连接方式等具有模块化与可重组性，系统稍做变通即可用于其他高速视频图像的采集。通用性体现在系统能适应于多个通道，不同速率的CCD图像数据采集，即要求系统能实现通道合并，并有较宽的数据传输频带。

USB数据采集系统硬件结构图如图1所示。

传感器输出的模拟信号，经多路开关选通接入信号放大器，信号放大器能自动调整增益的大小，对输入的信号在A/D转换器的量程内进行信号放大，然后由ARM芯片控制进行A/D转换，再将转换后的数字信号送入嵌入式微控制器，由USB接口电路传递给PC机进行数据处理，同时将PC机端的客户应用程序发出的控制信号通过USB接口传送到以ARM芯片为核心的数据采集系统。

1.1 方案选择

1.1.1 USB接口芯片和主控制器芯片的选择

USB控制器有两类，一类是集成了USB接口的单片机，如Cypress公司生产的EZ-USB（基于8051）系列芯片CY7C68013、CY7C64613等；另一类是单独的USB控制器，如Philips公司的PDIUSBD12、ISP1581，NetChip公司的NET2888，National公司的USBN9603、USBN9604等。前种芯片虽然编程简单，但需要购置专门的开发系统，投资较大，并且单片机性能有限；后者的特点是价格低廉、连接方便、可靠性高，但其片上不带CPU，必须选择微处理器来进行协议处理和数据交换。本系统选择了片上不带CPU的性价比较高的USB2.0控制芯片ISP1581，它完全符合USB 2.0规范，速度可达480Mbps。采用ISP1581可以快速开发出高性能的USB2.0设备；同时为了满足速度要求，主控器芯片选择了高性能、低功耗的ARM芯片S3C44B0X。

1.1.2 信号放大电路和A/D转换芯片的选择

在高速数据采集系统中，现场输入信号是变化范围较大的高频模拟信号，如果采用单一的增益放大，则放大后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化来相应地调整放大器的增益。本系统选用了AD8321这种频带宽、噪声低、增益可数控，且十分适合在数据采集系统作前置放大用的高频模拟信号调理芯片。高频模拟信号放大后被送到模数转换器中，S3C44B0X自身虽集成有8路10位ADC，但其内部集成的A/D转换只能输入0～100Hz的模拟信号，且没有采样保持电路，因此需要对其进行扩展。为了满足8路采集，选择了高速A/D转换芯片AD7829，最大转换速率2MSPS，转换时间为420ns。

1.2 硬件接口电路

本系统硬件接口电路连接如图2所示。

本系统利用S3C44B0X的PD口为双向口进行扩展，将AD7829的CONVST与S3C44B0X的PD1相连，用于产生转换脉冲；AD7829的EOC与S3C44B0X的PD0相连，用于产生转换结束信号。采集信号经A/D转换后，数据先存放在S3C44B0X的寄存器里， S3C44B0X先发控制信号再发数据给ISP1581，在此将ISP1581的缓冲区定义为8个，分别写入8路转换后的数据。而PC机通过USB接口与ISP1581连接，ISP1581负责分类和解释PC机发来的信号，具体操作流程如下：PC机发送给USB设备的数据以包的形式写入ISP1581的缓存中，当缓存被写满或数据发送完毕后，ISP1581就给ARM发中断信号，ARM响应中断信号进入中断服务程序执行相应的包处理。另一方面，USB设备不能主动向主机发送数据，只有当PC机要求USB设备发送数据时，ARM才将主机需要的数据写入ISP1581相应端点的缓存中。

数据采集是由S3C44B0X的PD口发出脉冲作为AD7829的转换脉冲CONVST，当AD7829转换结束时，EOC输出有效低电平，S3C44B0X接到有效电平后，发下一路地址，然后读数据。当AD7829的和信号有效时，在数据读入S3C44B0X的数据缓冲区的同时将下一路的地址打入，这样循环采集8路模拟输入，直到数据采集结束，本过程的流程图如图3所示。