基于USB的LDT实时数据采集系统设计

　　激光多普勒测量技术（LDT）具有精度高、动态响应快、测量范围大，非接触测量的特点，成为气体、流体测量的强有力的工具。近年来，它在固体测量领域得到了长足的发展，被广泛应用于固体表面的粗糙度、运动速度场、位移场、振动场等的精密测量。它的迅猛发展对信号的采集提出了越来越高的要求：高动态范围、低功耗、便于携带、能与计算机进行实时高速数据传输。针对这种要求，提出了一种基于USB的LDT实时数据采集系统。
　　USB（Universal Serial Bus）总线是由Intel，Com－paq，Microsoft，IBM，DEC，Northern Telecom等7家公司共同研制的一种针对PC的串行接口标准。它的热插拔、即插即用、连接简单、高带宽、可总线供电等优点几乎使其成为目前计算机外设的首选通信接口。
　　该文依据的是USB1．1协议规范，总线一共4根：5V电源线、地线及两根以差分形式驱动的数据线D＋、D－。连接设备的电缆最长可达5 m，通过USB集线器以菊花链拓扑形式实现多达5级的拓扑连接，可外接127个USB设备。USB总线可以提供5V、500mA电流，并支持节约能源的挂机和唤醒模式。它规定的12Mbps传输速率，与一个标准的串行口相比，大约快出100倍，与一个标准并行口相比，大约快出10倍。
1　系统硬件设计
1．1　硬件总体结构
USB实时数据采集系统硬件如图1-1所示。DSP控制器TMS320F240内部的模数转换模块包括两个独立的采样／保持电路和两个10位双积分型的转换器，16路模拟输入通道，可同时转换2路信号。

16路模拟输入信号由多路模拟开关选择被检测信号接入A／D转换器，A／D转换的结果经TMS320F240写入FIFO存储器。
　　TMS320F240通过信号线IS选通USBN9603，将其作为DSP的I／O口访问。USBN9603的D＋脚外接一个1．5K的上拉电阻，使其工作在全速方式下，USBN9603的MODE1、MODE2均接至地电位，设定USBN9603为非总线复用方式。操作时序是将地址线A0置高，将欲读写的地址从数据线D0～D7写入，然后将A0置低，读写D0～D7中的数据。
　　由DSP对A／D转换的结果进行FFT分析、小波分析等，并通过USBN9603与主机交换数据，接收控制命令。
1．2　USBN9603控制器
　　目前市场上有两类USB接口控制器：一类是带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。其系统结构和指令集大家都比较熟悉，便于硬件开发和软件编程，然而开发工具较昂贵。另一类是专用接口控制器，如朗讯公司的USS820、国家半导体公司的USBN960x、PHILIPS公司的PDIUSBD11等，都留有与MCU、DSP的接口，搭配灵活。
　　USBN9603是一个支持USB1．1协议的节点控制器。具有静态模式和异步唤醒功能；5V／3．3V供电；具有一个双向的控制节点Endpoint0、3个发送端点、3个接收端点；具有两种模式的8位并行接口（复用模式和非复用模式）；改进的DMA传输方式；串行接口引擎SIE，主要负责时钟恢复、EOP检测、位填充、位解填充、CRC编解码、组帧、拆帧、包类型识别及节点状态识别等。

2系统软件设计
　　USB系统软件设计分为3个部分：USB外设端的固件、主机操作系统上的客户驱动程序以及应用程序。应用程序通过客户驱动程序与系统USBDI（USBDevice Interface）进行通信，由系统产生数据的传送动作，固件则响应各种来自系统的标准要求，完成各种数据的交换工作和事件处理。
2．1　固件（firmware）设计
　　固件是指被固化到TMS320F240中的程序。它完成两个任务：控制A／D的采样和通过USB控制器与主机通信。USB有控制、中断、批量、等时等4种数据传输模式。其中控制传输用于传送一些系统控制命令，每个USB设备都必须有控制传输的通道；中断传输适用于鼠标等人工输入的设备使用；等时传输适用于对数据实时性要求较高的场合，如视频、音频数据，但其设备和进程的同步设计有较大难度，且它不能提供错误检查机制；批量传输能提供错误检查机制，适用于打印机、调制解调器等不定期传送大量数据的中速设备。
　　系统采用两种传输方式：控制传输和批量传输。控制传输用来实现位于主机上的USB总线驱动程序（USBD模块）以及编写的功能驱动程序对设备的各种控制操作；批量传输用来完成将采集数据从设备传送到主机。
2．2　驱动程序设计
　　USB系统驱动程序采用分层驱动模型：USB设备驱动程序、USB函数层。其中函数层由通用串行总线驱动程序模块（USBD）和主控制器驱动程序模块（HCD）组成。它由Windows98提供，负责管理USB设备驱动程序和USB控制器之间的通信；加载及卸载USB驱动程序；与USB设备通用端点建立通信来执行设备配置、数据与USB协议框架和打包格式的双向转换任务。