一种高速CCD数据采集系统的设计.PDF

一种高速CCD 数据采集系统的设计 键词： CCD , 数据采集 1 引 言 随着数字技术的进步与发展，对于数据传输的高速率性和时实性提出了很高的要求，IEEE1394 协议的 出现，很好地解决了该问题。IEEE1394 又名FireWire，是一种高速串行总线，已经发展了IEEE1394b 提供最高达3.2 Gb ／s 的速率，并将传输距离扩展到100 m。由此可以断定1394 必然成为未来的 “标 准”串行总线。 IEEE1394 支持2 类事务：等时传输和异步传输。 异步传输(asynchronous transactions)保证数据传输的正确性，但是不保证数据传输的时实性，主要 用来传输控制信息和一些对数据的正确性要求很高的数据。一个异步传输由4 部分组成：请求数据包、 请求确认数据包、响应数据包和响应确认数据包。确认数据包是和请求数据包、响应数据包同步的， 当请求数据包和响应数据包发送之后立即就是确认数据包。 异步传输不占据固定的带宽，但能保证节点获得时间上的公平访问，每一个执行异步传输的节点都能 在单一的间隔内准确地访问总线。 等时传输(isochronous transactions)对于数据传输的时实性要求很高，而对于数据传输的正确性要 求相对较低。等时传输通过一个与等时传输关联的信道号码确定设备，其以固定的时间间隔(125μ s) 发送数据，所以必须分配固定的总线带宽，有着高于异步传输的优先级，等时传输可用的最大带宽是 整个带宽的80％。 根据协议的结构可以将1394 协议分成事务层、链路层、物理层、总线管理层。链路层和物理层目前已 经由硬件芯片实现。本设计主要针对芯片的应用，因此对协议本身不做太多介绍和研究。 2 采集系统硬件设计 根据硬件的特点，设计了基于T1 芯片组和FPGA 的CCD 相机采集系统。系统结构如图1所示。 FPGA 选用Altera 公司的Cyclone 系列器件EP1C6T144C8，可以为CCD 相机提供工作所需的驱动时序， 同时接收经过A ／D 转换的CCD 输出图像数据。 这里主要介绍1394接口的数据采集，FPGA 内部的CCD 驱动逻辑暂时不介绍。本设计用于大量的数据 的传输，因此使用TSB12LV32 的DM 端口来输入和输出数据。FPGA 与TSB12LV32 的DM 端口的逻辑电路 如图2 所示。 FPGA 内部采用异步FIFO 解决CCD 输出数据频率和TSB12LV32 采集频率不匹配的问题，写时钟由CCD 输出位同步信号提供，写请求信号由FIFO 的满状态共同控制；读时钟由TSB12LV32 的DMCLK 提供，读 请求信号由DMRW。当TSB12LV32 开始传输数据时，在FIFO 的满状态和TSB12LV32 的DMDONE 引脚控制 下，由CCD 输出位同步信号将数据写入FIFO；在DMWR 的控制下，由DMCLK 将FIFO 中的数据由DM0～ DM7 引脚读入TSB12LV32，连接如图2 所示。 2.1 MCU 软件设计 软件的设计分为2 部分：一个是在PC 机上开发设备板的驱动程序；另一个是使用设备板上面使用MCU 控制和配置PDI1394L40 的软件流程。单片的主要负责初始化各个CRF，设置TSB12LV32 的工作模式， 配置ROM 发送ROM，分析包头，构造包头和数据包。配置ROM 是设计的重点也是难点，将设备插入PC 的1394 端口，通过配置ROM，使得PC 机识得设备。配置ROM 的流程如图3 所示。 2.2 异步操作 异步发送 “自动插入header 的异步包发送”为例，介绍如何进行异步发送操作，其流程图如图4 所 示。 2.3 等时操作 等时接收的工作流程图图5 所示。 3 驱动开发 采用Numega 公司的DriverWorks 工具开发驱动，该软件对DDK 中的函数进行很好的封装。使用 DriverWizard 可以直接生成驱动程序源代码的框架，只需对其做修改即可。 由于Windows 已经提供了总线驱动程序和端口驱动程序，因此只需要开发功能驱动程序即可。 DriverWorks 将DDK 下的1394 请求包(IRB)封装成KIrb 类，并将总线驱动程序的功能封装在 K1394LowerDevice 类中，对于等时传输和异步传输也有相应的类对其相应的DDK 进行封装。 1394WDM 驱动程序使用IRB(请求包)和总线进行通信，IRB 被发送到总线驱动，总线驱动将IRB 在总线 上执行。DriverWorks 使用KIrb 类迅速创建一个IRB，同时使用K1394LowerDevic