（检测技术与自动化装置专业论文）基于usb技术的电阻层析成像系统通讯方法的研究.pdf

中文摘要 过程层析成像( p t ) 技术能实时提供封闭管道、容器等过程设备内物场运动状 态的二三维测量信息，为解决两相流参数的检测问题提供了一种新的途径。 电阻层析成像( e r t ) 技术是基于电学敏感原理的p t 技术，它具有可视化、非 侵入、无辐射、低成本等优点，在工业过程中有广泛的应用前景。 e r t 技术经过十多年的发展，已逐步在实际工业过程中取得了应用。为两相 流动过程提供一种智能化、直观化的便携式测试仪器是e r t 技术发展和工业现 场需要对e r t 系统提出的更高的要求。本文针对这种要求对基于u s b 技术的e r t 系统通讯方法进行了研究，并对便携式e r t 测试系统的方案进行了初步探讨。 在本论文的研究中，作者主要完成了以下几方面的工作： 1 在对e r t 系统通讯模块数据量分析的基础上，比较了现有的p c 外围设 备通讯方式，提出了采用u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 技术实现p c 机与e r t 系 统的通讯。开发了一种新型的基于u s b 技术的e r t 系统通讯模块，实现了基于 d s p 的e r t 系统与p c 机的通讯，解决了以往的数据采集系统不便于携带和与上 位机通讯的数据传输瓶颈问题，在两相流在线检测的应用中对提高e r t 系统的 实时性起到了积极的推动作用。 7 2 基于u s b 技术，提出了两种e r t 系统实现方案：单片机作系统控制，d s p 作数据处理；d s p + c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i ed e v i c e ) 作系统控制， d s p 作数据处理。并从系统功能，开发周期、投资费用等方面进行了比较。 3 初步设计和实现了基于单片机p i e l 6 f 8 7 7 的e r t 系统的控制模块，对便 携式e r t 测试系统方案可行性进行了初步探讨，总结了系统方案实现存在的问 题并给出了系统方案的改进意见，为便携式e r t 测试系统的研制奠定了基础。 关键词：电阻层析成像通讯模块u s b 技术便携式 a b s t r a c t p r o c e s st o m o g r a p h y ( p t ) c a np r o v i d et w o t h r e ed i m e n s i o ni n f o r m a t i o nr e i n e dt ot h e i n t e r i o rb e h a v i o ro fm e d i u mw i t h i nt h ep r o c e s se q u i p m e n t s ，s u c ha sc l o s ep i p e s ， v e s s e l sa n ds oo n ，i nr e a lt i m e t h i sg i v e san o v e la p p r o a c hf o rt w o w p h a s ef l o w p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ( e r t ) i sa k i n do fp t b a s e do nt h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dp r i n c i p l eo fe l e c t r i c a ls e n s i t i v i t y e r th a sa d v a n t a g e so f b e i n gv i s u a l ，n o n i n t r u s i v e ，n o n - r a d i a t ea n d l o wi nc o s t ，i th a s a l le x t e n s i v ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t i ni n d u s t r i a lp r o c e s s 。 e r th a sg r a d u a l l yg o ta p p l i c a t i o n si np r a c f i c a li n d u s t r i a lp r o c e s si nr e c e n ty e a r s w i t l lt h er e q u i r e m e n to f i n d u s t r i a lf i e l da n dt h ed e v e l o p m e n to f e r t ，e r ts y s t e mh a s b e e n r e q u i r e dt ob e ak i n do f i n t e l l i g e n ta n d v i s u a lp o r t a b l em e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o r t w o - p h a s ef l o w t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sr e s e a r c ho n t h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o do f e r t s y s t e mb a s e do nu s b a n d p r e l i m i n a r i l yd i s c u s s e st h es c h e m eo fp o r t a b l ee r t m e a s u r i n g i n s t m m e n t t h e s p e c i f i cw o r k t h a tt h ea u t h o rh a sf i n i s h e di nt h i sr e s e a r c hi sa sf o l l o w s 1 b a s e do nt h ea n a l y s i so fd a t aa m o u n to fe r t s y s t e mc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h e e x i s t i n gc o m m u n i c a t i o nm e t h o d so fp e r i p h e r a le q u i p m e n to f p ca r ec o m p a r e d 。a n i d e ai sp u tf o r w a r dt h a tu s bl se m p l o y e dt oi m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n p ca n de r t s y s t e m an e w c o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fe r t s y s t e me m p l o y i n gu s b t e c h n i q u ei sd e v e l o p e dt oc a r r yo u tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n de r ts y s t e m b a s e do r d s p i ts o l v e st h ee v e r p r o b l e m so f n o tb e i n g p o r t a b l ea n dd a t at r a n s m i s s i o n b o t t l e n e c k + f u r t h e r m o r ei th a sp o s i t i v ee f f e c to n i m p r o v i n g t h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e o f e r t s y s t e m i nt w o p h a s ef l o wo n - l i n em e a s u r e m e n t a p p l i c a t i o n 。 2 b a s e do nu s b ，t w os c h e m e so fe r ts y s t e ma r eb r o u g h tf o r w a r d i nt h ef i r s t s c h e m eam i c r o c o n t r o l l e ri su s e dt oc o n t r o ls y s t e ma n dd s pi se m p l o y e dt op r o c e s s d a t a ，w h i l ei nt h es e c o n dd s p 十c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i ed e v i c e ) a r e u s e dt oc o n t r o is y s t e ma n dd s pi se m p l o y e d 仞p r o c e s sd a t a ，t h es y s t e mf u n c t i o n 、 d e v e l o p m e n tp e r i o d f l sw e l la sc o s ta r ec o m p a r e db e t w e e nt h et w os c h e m e s 3 t h ec o n t r o lm o d u l eo fe r ts y s t e mb a s e do nt h em i c r o c o n t r o l l e rp i c l 6 f 8 7 7i s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dp r e l i m i n a r i l y t h ef e a s i b i l i t yo f t h es c h e m eo fp o r t a b l e e r t m e a s u r i n g i n s t r u m e n ti sm a d e p r i m a r ys t u d yo f t h i sl a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h e d e v e l o p m e n to f p o r t a b l ee r t m e a s u r i n gi n s t r u m e n t k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g m p h y , c o m m t m i c a l l o n m o d u l e ， u s b t e c h n i q u e ，p o r t a b l e 独创憔声明 本人声明所呈交鹩学位论文是本人在导耀指导下逡行的研究工作霸取得斡 研究成果，除了文中特另r , l t ；l l 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或攒写过斡磊嚣究或果，龟不琶含为获褥盘壅盔茎袋英谴教肖辊掏魏学位或 证书而使用过的材料。与我一阔工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中幸箬了疆确豹谎瞬著表示了滗意。 学位论文作者签名：年裹毫毒式签字日期：w 彬乒年，月t g h 学位论文版权使用授权书 本擎整凳哭俸者宠全了熬鑫盗表茎鸯关傈蜜、傻瘸学位论文躺麓定。 特授权墨盗态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据席进行检 索，势溪廷影帮、壤印袋据接等复利手羧保存、汇编戳供查耀耪缮霆。霹意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 缀塞豹学位论文在鳃蜜簌逶爱本授权巍爨) 学位论文作者签名：诲蒸，俄 签字目期：w 争年，月，f 丑 瞎 导黼签名： 签字嗣期：矿q 年，月，歹 第一章绪论 第一意绪论 硒相流( 多相流) 是一种在生产实际中广泛存在的混合流动，如石油工业中的 油气、油水两相流，纯学工业中流彳七廉反应装蓬中的气闺两褶流等。随着工韭 生产自动化水平的不断提高，两相流参数检测技术在科学研究和工业生产中发 挥了麓来越重凝静俸穗，对两相流参数遗行涮薰的需求越来越遮甥，邋程层褫 成像技术( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称p t ) 适应邀一发展趋势应邂而生。p t 技术 静窭袋将瑟鞠滚参数检测方法觚蒋统瓣局部窒麓蕈点溺量方式发震或为对过程 参数 燕二维或三维空间分布状况的在线、实时测量，大大提高了人们对生产过 翟整惑豹获取稻分辑黢力，兔在线检测帮霞纯设诗提袋了一静全瑟鼹手段。 1 1 电阻鼷析成像e r i 技术 电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s j s t a n c et o m o g r a p h y ) 技术是基于电学敏感 原理晒过程屡桥成像觳术的一种对穗场的电隧率信惠逶行裣测的技术。它的耪 理基础是基于不同媒质具有不同电导率，通过判断处于敏感场( 测量时建立的 电磁场) 中物俸电导率分布采得知耪场媒质分采状凝。 e r t 技术与传统的过程参数检测方法相比具有诸多突出优点： ( 1 ) 撬绥在线逶续豹二维三维哥褪纯镑惠； ( 2 ) 可提取大量被测对象的特征参数； ( 3 ) 多点、雾嚣分布式、 侵入、无放射瞧瓣量，不羰坏、于撬貔场； ( 4 ) 结构简单，成本低。 1 1 1 e r t 技术发麟箍况 毫隧层析簸缘技术豹莛源霹以追溺裂登鳃2 0 年代，当惑豹遗臻拳家逶过 在地上插入一定数量的电极，在其中一对电极间注入电流，同时测量其他电极 上斡惫位寒获缮遣层彀疆枣分凑，麸聪撵绘爨熄屡中濑卷等约分毒。然蠢吾出予 当时无法满足滕析成像技术所需要解决的庞大计算量，该技术算不上真正的e r t 技末。现代e r t 技术楚医学中应用的藏予电学被瑟原爨粒电阻抗层橱藏缘技零 ( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ) 的一种简化情况，即仅对物场照抗的实 部信息避雩亍检测。 2 0 世纪7 0 年代，生物医学研究者掇出了圆彤电极阵列的断层电阻率测量技 术，期望能找到一_ 手中快速、安全、低成本的技术来取代穗成功应用的x 射线c t 第一章绪论 机。8 0 年代初，在临床和生物医学领域，电阻抗层析成像技术得到了极高的重 视，医学e r t 不断得到改进。但是同医学x 射线和磁共振成像( m a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) 相比，医学e r t 的空间分布率比较低，因此并没有 得到广泛认可，但是作为医学诊断的辅助工具，人们并没有停止对医学e r t 的 研究。在9 0 年代后期，医学e r t 的研究已经可以获得三维图像了【l j 。 2 0 世纪8 0 年代中后期，医学e r t 技术被移植于工业领域，成为过程层析成 像( p r o c e s st o m o g r a p h yp t ) 技术的一种o3 。尽管过程e r t 技术同医学e r t 技 术之间有很多相似之处，但由于测量对象、测量目的以及运行环境条件的不同， 使得它们之间无论是在信息的获取方式、处理方法上，还是在结果的解释、应 用上都有着显著的不同；尤其是医学e r t 有丰富的先验知识可以利用，而过程 e r t 的检测对象通常是时变的，这使得过程e r t 的研究过程中存在着相当大的 困难。9 0 年代“欧洲过程层析成像技术联合行动( e c a p t ) ”大大促进了欧洲地 区e r t 技术的发展，其中较为突出的是：慕尼黑大学研究的定量图像算法，在 在线辨识气液两相留流型实验中，其组分浓度的测量精度可达2 ；英国 u m i s t 大学地电机工程系的fd i c k i n 完成了m k i b 系统，数据采集速度可达 2 0 幅秒以上i ”j 。 英国u m i s t 大学在e r t 技术的研究上一直处于领先地位，其研究成果主要 表现为：利用e r t 对液固水力旋流分离器进行实验研究，所得图像为建模核 过程机理研究提供重要信息”1 ；开发出适用于金属容器的e r t 系统【6 】，拓宽了 e r t 技术的适用范围；1 9 9 8 年又开发出m k 2 b 系统，数据采集速率可达1 0 0 幅秒，数据传输速率大于1 m b s 【7 j ；利用e r t 来监测气液混合过程，他们使 用了1 6 8 层电极的e r t 系统在直径为1 5 米的搅拌器上进行试验，其目的是 为三维搅拌容器中气液混合过程提供强有力的定性和定量解释哺3 ：( 重) 2 0 0 1 年 开发出利用双极性脉冲电流源作为激励源的电阻层析成像硬件系统设计的新原 理，这一技术克服了常规直流激励源带来的介质电极化效应，系统的运行速度 快，为解决实时性提供了一种新的途径【9 】；运用e r t 技术在线监测高炉内部 炉衬厚度剥蚀状况的可行性进行了初步研究，准确测量炉衬厚度在高炉冶炼过 程中的变化，为判定该高炉应否停炉补衬提供重要依据；将e r t 技术应用于两 相流参数检测，测量泡沫流的泡沫密度分布，为泡沫流的过程控制提供了一种 新的可视化的监测技术【l 。 1 9 9 8 年英国l e e d s 大学w i l l i a m s 教授领导的研究小组研制出i t s 1 0 0 0 型e r t 系统样机，该系统数据采集速率为2 5 幅秒( 3 8 4 k h z 电流激励、1 0 4 点幅、 数字解调) ，如果采用模拟解调，其采样速率为7 幅秒 1 13 0 他们将e r t 技术 应用于水力旋流分离器的运行工况监测研究”“，利用e r t 系统提供的分离器内 第一章绪论 某一截面上离散相( 或空气芯) 分布图像的时间变化历程，为证实水力旋流分 离器的机理模型和优化参数设计提供了新的依据。 在美国，劳伦斯利弗摩尔国家实验室承担并持续了数年的一项重大工程研究 项目是“e r t 技术在美国核废料场特征鉴定计划中的作用”。他们在拉斯维加斯 y u c c a 山脉的现场条件下运用e r t 技术监测在加热状态下水分在多孔性岩石材 料中的转移( 输运) 现象，从而为证实y u c c a 山脉作为核废料贮存场所的超长期 安全性计算机仿真模型的正确性提供依据 1 3 3o 此外，西班牙学者也开展了e r t 在地质测量中的应用研究 1 4 3 0 另外，e r t 技术在检测地下管道的泄漏问题【】“、 监测工程水利堤坝的修建问题【l6 j 的应用中也得到了很好的效果。 在我国，对e r t 技术的研究开始于8 0 年代后期，徐苓安教授带领的天津大 学p t ( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 研究小组开发以e r t 技术为核心的在线监测系统，应 用于两相流参数检测。p t 小组在国内首先提出基于e r t 技术的流型识别，为探 索流型识别提出了新方法7j ：将e r t 技术与现代信息处理技术相结合，实现对 气液两相流流型的识别研究和相含率的估计 1 8 】。东北大学、浙江大学1 1 2 0 1 在 e r t 敏感场的研究、北京航空航天大学在电阻抗成像算法的研究上【2 1 1 2 2 1 ，均取 得了很好的成绩。 1 1 2e r t 系统的构成 e r t 系统的工作方式通常采用电流激励、电压测量。当场内的电导率分布变 化时，电流场的分布会随之变化，导致场内电势分布的变化，从而场域边界上 的测量电压也要发生变化。边界测量电压变化包含了场域内电导率变化的信息。 通过实际对象的边界测量电压与水为满管状态下对应位置测量电压的对比，运 用相应的成像算法，便可重建出实际对象的电导率分布，实现可视化测量。 如图1 1 所示，e r t 系统通常由三个主要部分构成：获取被测物场信息 的空间敏感阵列。它在交流电压电流激励下，形成一个可从不同观测角度扫掠 被测物场的空间敏感场，物场内部电导率分布和变化对敏感场产生调制作用， 使敏感阵列输出相应的信号。数据采集与处理单元。它的任务是快速实时的 采集空间敏感阵列输出的反映被测物场二维- - 维分布状态的大量瞬时信号，并 完成相应的解调、滤波处理，以获得直接反映物场变化的实部信息。图像重 建与物场参数提取单元。它的任务是运用图像重建算法，根据处理后的数据， 获得被测物场的二维或三维图像以及变化的时间历程，使人们直接看到过程设 备或装置内部某个截面上不同电导率的分布，同时又可运用相应的基于知t 工 程的软件库，提取出被测物场的特征信息，如流型、相速度、相含率、相尺寸 第一章绪论 等等。 已有的e r t 系统的控制单元采用的是p c 机，它向数据采集单元发出指令， 给某一对电极或多个电极施加激励电流，在过程对象内部建立起敏感场。然后 测量边界上的电压信号，将得到的测量数据送图像重建单元，以适当的算法重 建出对象内部的电导率分布，从而得到媒质分布图像。最后送图像分析单元， 对图像的物理意义加以解释，提取有关的特征参数，为过程控制或实验研究提 供必要的信息。 物场重建图像 图1 1 电阻层析成像系统构成框图 1 1 3e r t 系统的研究现状 参数 英国l e e d s 大学最新开发出一套两相流在线数据采集和测量处理双截面e i t 系统。”，结构如图卜2 所示，其电压检测采用并行处理机制，数据采集速度每 个电极平面达1 0 0 0 幅秒，被测流速可达到l o m s ，精度5 。该系统采用四个 d s p 模块( t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 b ) ，每个模块都能通过1 e e e l 3 9 4 与p c 通讯。第一个d s p 模块做系统控制器，负责i e e e l 3 9 4 的通讯并控制双界面e i t 系统的数据采集并 将采集到的数格式化后通过多通道缓冲串口( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ， m c b s p ) 传给第二个d s p 模块，第二个d s p 模块将由前一模块传来的格式化的数 据实现图像重建算法，产生的图像数据通过m c b s p 传给第三个d s p 模块，第三 个模块将计算局部轴向速度、径向速度和角速度分布，最后一个d s p 模块实现 其他一些特殊功能【2 4 j 。 英国u m i s t 大学采用双向电流脉冲技术开发出了一套1 6 电极e r t 数据采集 系统。”，据报道，该系统数据采集速度可达1 0 0 0 幅s ( 激励频率8 0 k h z ) 。由微 控制器实现电流激励控制、多路复用技术和a d c ( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r s i o n ) 时序，a d c 采用1 4 位a d 采集卡e a g l ep c i 一7 0 3 ( 4 0 0 k h z ) 。 第一章绪论 图卜2l e e d s 大学在线数据采集和测量处理双截面e i t 系统结构图 黜0 3 v e ，f i f o 中数据将溢出。所以考虑选用 1 k b y t e 的f i f o ，在上述情况下f i f o 的数据最多有5 1 2 + 4 1 6 = 9 2 8 b y t e ，f i f o 第三章e r t 通讯模块的硬件开发 不会溢出。 综合上述分析，选用1 k 9 的异步f i f o ，经过一定的市场调研后，选择性价 比较高的i d t 7 2 v 0 2 。 3 ，4 2l d t 7 2 v 0 2 i d t 7 2 v 0 2 的内部结构原理如图3 4 所示，该芯片是1 k x 9 的异步双端口f i f o 存储器，具有1 5 n s 的高速存取时间，低功耗：运行时1 8 0 m w ( m a x ) 、掉电时为 4 4 m w ( m a x ) ，采用高性能的c m o s 技术。 数据辅 图3 _ 4i d t 7 2 v 0 2 内部结构原理框图 它的结构简单，便于操作，并具有控制端、标志端、扩展端和内部r a m 阵 列，内部读、写指针在先进先出的基础上可进行数据的自动写入和读出。当有 数据到数据输入端口( d o d 8 ) 时，可由控制端w 来控制数据的写。当无满标志， 即f f 为高时，在w 的下降沿开始写周期。为了防止数据的写溢出，可用标志端 满、半满来标明数据的写入情况。当存储器一半己满时，下一个w 的下降沿置 半满标志，即h f 为低。在存储器最后一个数据写入时的w 的下降沿置满标志， 即f f 为低。写入时由内部写指针安排其写入的位置。由于内部r a m 阵列的特 殊设计，先存入的数据将被先读出。如果需要数据外读，则可由控制端r 来控 制数据的读出情况。无空标志，即e f 为高时，在r 的下降沿开始读周期，为防 止空读，在存储器最后一个数据读出时，r 的下降沿置空标志，即e f 为低。w 、 第三章e r t 通讯模块的硬件开发 瓦由外部晶振提供脉冲。数据输出端口q o q 8 是三态的，在无读信号时呈高阻 态。若需将内部数据重新读出可用控制端r t 来实现。x i 为扩展输入端，该端口 接地表示单片操作，进行字深扩展时，应将此端与前一个芯片的x o 口相连。输 入数据位和输出数据位提供9 位输入输出位，可将其中一位用作控制或用户自 定义，扩展端用来进行字深和字长的扩展、以便于多个芯片的组合使用。r s 为 复位端。 3 5 硬件电路实现 图3 - 5 是c 6 7 1 1 的e m i f 接口信号示意图。 3 5 1 外部时钟电路 e d 3 1o p 、 嬲1 礁外鞣 田珂 j a r d y 、 丽更厄研疆萄曩难i 碍e 圈完霹溜蕊- a s v n c h , $ d r a v s b s r a m 莉范藩丽e 荐蓟茬l 控制 再弧 。h 。d 。l 。一d a b u s r e 0 图3 5c 6 7 1 1 的e m i f 接口信号 c 6 7 1 1 的e m i f 要求通过e c l k i n 输入提供一个外部时钟。简化起见，可以 将c l k o u t 2 管脚接入e c l k i n 上，这免去了刨建外部时钟的硬件电路。但这 种方法有个很大的限制，就是仅允许存储器接口以1 2 c p u 时钟速度运行( 这 里是7 5 m h z ) ，降低了存储器的特性。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 规定外部时钟的上升下降时间不大于3 n s 。这里采用i c s 5 0 1 p l l 芯片，它输出的上升下降时间的典型值为i n s ，用标准的晶振可以产生宽 范围的频率输出值1 3 ”。外部时钟电路图如3 - 6 所示，其时钟选择输出表如表3 - 2 第三章e r t 通讯模块的硬件开发 所示。 图3 - 6 外部时钟电路 表3 2 时钟选择输出表 i s l00ommm111 s oom10m1om1 j c l k4 x5 3 1 2 5 x5 x6 2 5 x2 x3 1 2 5 x6 x3 x8 x e 表3 2 中m 表示未接，由表可知，e c l k i n 的时钟周期为1 0 n s 。 3 5 2 接口电路 图3 - 5 中用于f i f o 接口的信号总结如表3 - 3 。 表3 - 3 用于f i f o 接口的信号描述 e m i f 管脚功能特性描述 e d ( 3 1 ：0 、数据i o ，与外部存储器和外设的3 2 位数据输入输出 c e x外部c e x 芯片选择，用于开关对相应的外部f i f o 的触发 a r d y异步就绪输入，用于和低速存储器和外设接口时插入等待状态 a o e 输出使能，对异步存储器接口低电平输出有效 a w e 写触发，对异步存储器接口低电平写触发有效 a r e 读触发，对异步存储器接口低电平读触发有效 对应于不同的c e x 空间，对应了不同的异步存储器。为了防止与其他的异 步存储器混用这些控制信号，将对应于不同c e x 空间的c e x ( x = o ，1 ，2 ，3 ) 信号 和这些控制信号联合使用作为外部f i f o 的控制信号。将异步f i f o 设置在c e 3 空间中，即c e 3 空间中的异步存储器为i d t 7 2 v 0 2 。c 6 7 1 1 的e m i f 没有无缝的 第三章e r t 通讯模块的硬件开发。 f i f o 接口，但可以用最小数量的逻辑电路来实现e m i f 的异步接口和外部f i f o 的连接。t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 、a n 2 1 3 i q 与i d t 7 2 v 0 2 接口电路如图3 7 所示。 i c e z 0 e i n t 5 # t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 a 髓 控制 w i d t 7 2 v 0 2 a r z 逻辑 r f r d # e m i f，f f f i f oa n 2 1 3 1 0 外部存储t i n p o e fp c 7 器接口 i n t 4 h f r s p c 2 b d 7 ：0 d 7 ：0 q 7 ：0 d 7 ：0 i n t 5p c 6 t 图3 7t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 、a n 2 1 3 1 0 与i d t 7 2 v 0 2 接口电路 计算机与u s b 设备的数据通信主要包括两个方面：一是读取采样数据；二 是给u s b 设备发送控制命令。大量采样的数据从d s p 传送到计算机，而计算机 到d s p 的数据传送只是简单的控制信号。所以接口电路中采用一片单向的 i d t 7 2 v 0 2 ，数据流方向为从d s p 到e z - u s b ，d s p 往f i f o 中写数据，e z - u s b 从f i f o 中读数据。计算机发出传数命令给e z u s b ，e z u s b 在正确接收命令 后发出信号给c 6 7 1 l ，c 6 7 1 1 在确认缓冲区数据准备就绪后以e d m a 方式发送 一帧数据给f i f o ，e z u s b 同时从f i f o 中读数，数据经e z u s b 打包处理后传 送给上位机。 3 6 f i f 0 标志巡检策略设计 e z u s b 在正确接收计算机传数命令后，f i f o 复位，h f 为高，c 6 7 1 1 接 收到e z u s b 的传数命令，确认数据准备就绪准备第一次将数据写入f i f o 时， f i f o 为空，写入一帧4 1 6 b y t e 数据后，d s p 侧通讯模块巡检缓冲区数据状态和 f i f o 的h f 状态，在数据准备就绪并且h f 为高时，启动e d m a 发送一帧数 据到f i f o 中。在f i f o 中的数据超过半满h f 为低且缓冲区数据就绪时，不发 送任何数据以防止f i f o 溢出和e d m a 发送失败。由于v j 。s v e ，可能会出现 f i f o 为空的情况，所以e z u s b 检测e f 标志，若e f 为低即f i f o 为空就停 止从f i f 0 中读数。 第四章e r t 通讯模块软件开发 第四耄e r t 通讯模块软髂舞发 e r t 通讯模块软件包括四个部分：o s p 啦f j 通讯软件、e z - u s b 固件、主机端设备 驱动程寄秘主税端应用程痒。 4 1 d s p 侧通讯软件开发 4 。 1 缓；枣区设计 e n d i a n 终结方式是指多字节数据内部高低有效位的存放顺序。在小端终结方 式( l i t t l e - e n d i a n ) 下，数据的高有效位字节存放在地址高位字节，低有效位放 在遮缝低整字节。大溃终缝方式粥爱遭寒。c 6 7 11 支持i i t t l e - e n d i a n 耪b 强e n d i a n 模式，图4 - t 是不潲e n d i a n 模式下各字长数据在3 2 b i t 中的位置。 t m s 3 2 0 c 6 7 11 目3 1 3 1 ：2 4 1e 0 1 2 3 ：t 6 |e o l l 5 ：a le d 7 ：0 】 3 2 - b f 【d e v r o 1 8 _ b i id a ”i c a b 蛰e n d i a | 瓣蕊擀 l 8 _ b t 1 ，d 8 w 4 i i t d 0 啊 l 黼幽n b 女e 嘲n 图4 - 1c 6 7 1 l 在不同e n d i a n 模式下的数据存放位 方式a 方式b 第四章e r t 通讯模块软件开发 c 6 7 1 1 片内数据的存取总是按3 2 b i t 进行的，将1 2 位a d 采到的数据经简单 的数据预处理以l i t t l e e n d i a n 方式存放到缓冲区中可采用如4 - 2 所示的两种存放 形式。 c 6 7 1 1 的e m i f 在访问片外8 位f i f o 时自动完成数据打包和解包处理，上 述两种数据存放形式在以l i t t l e e n d i a n 方式写入f i f o 时，f i f o 中的数据存放形 式如图4 3 所示。 n n + i n + 2 n + 3 x x x x x x xx 0 0 0 0 xxx x 一 x xx xx x x x 一 0 00 0 x x x x f xx x x x x x x 000 x x x x x o o 00 0 0 0 0 0 o o 0 0 0 0 o 方式a 对应的f i f o 存放形式 方式b 对应的f i f o 存放形式 图4 3 所示f i f o 中两种对应的数据存放形式 由图4 - 3 可看出，方式b 对应的f i f o 存放形式中一个数据两个高字节均为 0 ，即有一半是无效数据，在同等数据传输速度情况下，方式b 对应的数据传输 效率是方式a 的数据传输效率的一半且需要更大容量的f i f o 。所以缓冲区采用 方式a 的数据存放方式。 设计将缓冲区分成两个区存储数据，1 个区可存储1 帧数据，在写一个区时 可以从另一个区读数，提高数据的读写效率。缓冲区的结构如图4 - 4 所示。为了 使模块间更好的接口，缓冲区的更新不受读操作的影响，缓冲区的数据写入到 f i f o 中由e d m a 方式完成。对缓冲区的写操作不受读操作的影响，但写操作将 影响读操作的进行，只有在一个区的写操作完成后，读操作才能执行对这个区 的传送任务。由于v d a 。 v e 。m a ，所以在对某个区域进行读操作的时候仍可以对 它进行写操作。 由于对两个区域进行操作，需要对每个区域进行的操作进行标志。设置写 区域选择位，在执行写操作之前进行标志检查，若该位为0 ，对l 区写；若为1 ， 对2 区写。写完该区后，对该标志位执行取反操作。执行写操作时，将对应区 域的可读标志位置为无效，写完后将对应可读标志置为有效。设置两个可读标 第四章e r t 通讯模块软件开发 志位，每位对应于一个区域，该位为0 为不可读，为1 为可读。执行读操作届 将该区域的可读标志置为0 。 区l 区2 0o00xx xx 4 1 2e m i f 寄存器 图4 4 缓冲区结构 1 0 4 个数据单元 2 0 8 个采集数据 1 0 4 个数据单元 2 0 8 个采集数据 e m i f 的控制和它支持的存储器接口由一组存储器映射寄存器进行控制和维 护，这些存储器映射寄存器如表4 1 所示。 字节地址缩写寄存器名 0 x 0 1 8 0 0 0 0 0g b l c t le m i f 全局控制寄存器 0 x 0 1 8 0 0 0 0 4c e l c t le m i fc e l 空间控制寄存器 0 x 0 18 0 0 0 0 8c e o c t le m i fc e 0 空间控制寄存器 0 x 0 1 8 0 0 0 0 c保留 0 x o l 8 0 0 0 1 0c e 2 c t le m i fc e 2 空间控制寄存器 0 x 0 1 8 0 0 0 1 4c e 3 c t le m i fc e 3 空间控制寄存器 表4 - 1e m i f 控制寄存器 g b l c t l 寄存器完成对整个片外存储空间的公共参数的设置，c e x c t l 寄存 器分别控制相应存储空间的存储器类型和接口时序，这四个c e x c t l 对应于四 个c e 空间。 e m i f 异步f i f o 写接口时序如图4 5 所示，每个读写周期由3 个阶段构成： 建立时间( s e t u p ) 、触发时间( s t r o b e ) 和保持时间( h o l d ) 。各自定义为：建立 时间，从存储器访问周期开始( 片选、地址有效) 到读写选通有效之前；触 发时间，读写选通信号从有效到无效；保持时间，从读写信号无效到访问 周期结束。 第四章e r t 通讯模块软件开发 d 0c | 【 f c e i 冁 i8 9 i upis t m 蛐lh o | dfs e i 叩js 旧b ei h o lc | l 厂、八厂、h 厂、hhh 厂、h 八 图4 - 5e m i f 异步f i f o 写接口时序 读写操作在c e x c t l 寄存器中独立设置建立、触发和保持3 个阶段的时间 单位是e c l k o u t i 时钟周期。c e x c t l 的结构如图4 - 6 所示。 图4 - 6c e x c t l 寄存器结构 r e a ds e t u p w r i t es e t u p ，建立宽度，在读触发a r e 或写触发 a w e 变低前的建立时钟周期数。r e a ds t r o b e w r i t es t r o b e ，触发宽度， 读触发a r e 、写触发a w e 的时钟周期数。r e a dh o l d w r i t eh o l d ， 保持宽度，在读触发a r e 和写触发a w e 上升后，保持时钟周期数。m t y p e 标志了相应c e 空间的存储器类型，m t y p t = 0 0 0 0 b 为8 位异步接口，m t y p t = 0 0 0 i b 为1 6 位异步接口，m t y p t = 0 0 1 0 b 为3 2 位异步接口。t a 控制一个读 和一个写操作或两个读操作之间的e c l k o u t 时钟周期数。建立时间和保持时 间可设置的最小值是1 ，用户设置为0 将当作1 看待。保持时间可以设置为0 。 对异步f i f o ，如图4 - 5 所示，数据读写不是边界触发的。当f f 满标志无效， 即f i f o 不满时，数据写操作在写使能，w 为低时被初始化。在写使能信号的上 升沿数据才真正被写。 第四章e r t 通讯模块软什开发 4 1 3 时序设计 i d t 7 2 v 0 2 异步读写时序图如图4 7 所示。 r q 0 强 w d 。d b 与 芒 1 n 坚 一 1 一一l r h z + | td a t 爪八j a l i d 炽d a t a o u t v a u 0 劂 图4 7i d t 7 2 v 0 2 异步读写时序图 它的时序参数与图4 5 中e m i f 异步接口的时序参数的对应关系总结如下： t 。，对应于t 。，写脉冲宽度；t 。对应与t 。，写周期长度；t d s 对应于t 。， 数据建立时间；t d h 对应于t m ，数据保持时间。 对异步f i f o 接口，时序设计的关键就是计算c e x c t l 寄存器中 s e t u p s t r o b e h o l d 这3 个控制位的设置值以及考虑时间裕量。 e m i f 异步f i f o 写接口的时序限制条件为： s e t u p l s t r o b e ( t 。o ( r n l ) t 。 s e t u p + s t r o b e ( t s u ( m ) - it 。t m 。) t 。 s e t u p + s t r o b e + h o l d ( 1 w e ( m ) ) t 。 h o l d ( t s k e w - i t 。i 。- i t i h ( m ) ) t 。 表4 2 ，4 3 ，4 - 4 总结了用于计算c e 3 空间控制寄存器值相关f i f o 写时序特性。 表4 - 2e m i f 输出时序要求 符号时序参数意义 t s h 输出斜率时间，代表一定操作条件( 温度和电压) t 。b 。2 n s 下输出控制数据信号间可能的斜度 t 。时钟周期，对c 6 7 1 1 ，t 。= e c l k o u t 周期t 。= 1 0 n s 第四章e r t 通讯模块软件开发 表4 - 3i d t 7 2 v 0 2 输入时序要求 符号对应的e m i f时序参数意义最小值 接口参数 t 。( m )t w o ( m )要求的最小写脉冲宽度 3 5 n s t 。( i 1 1 )t 。( m )写周期长度 4 5 n s t d s ( m )t 。( m ) 写数据建立时间1 8 n s t d h ( m )t 。h ( m ) 数据保持时间0 n s 表4 4 逻辑器件的外部逻辑特性 符号参数意义最小值最大值 t p l 逻辑传播，从连接到外部逻辑的输入有效1 5 n