05微機(jī)化核輻射儀器

1、第五章:微機(jī)化核輻射儀器第一節(jié)：概述一、核輻射儀器的發(fā)展歷程和整個儀器儀表的發(fā)展過程一樣，我國核輻射儀器的發(fā)展也經(jīng)歷了三個歷史時期。早期的核輻射儀器都是率表式儀器。它們以蓋革計數(shù)管或閃爍晶體為探測器，配以用分立元件構(gòu)成的簡單放大器、整形器，最后用率表電路驅(qū)動表頭的指針來指示照射量率。這類儀器包括從五十年代的YP一4M輻射儀直到七十年代的FD一71輻射儀。七十年代中期，以數(shù)字集成電路為基礎(chǔ)的數(shù)字式核輻射儀器開始出現(xiàn)。它們通常以閃爍晶體為探測器，配以CMOS集成電路組成的放大器、整形器、定時控制器、計數(shù)顯示器，組成數(shù)字式輻射儀。到八十年代初中期，有些輻射儀又增加了自動歸一化測量及運算電路使儀器不僅

2、可以自動進(jìn)行定時測量，顯示出r輻射強(qiáng)度，而且還可直接顯示出放射性物質(zhì)的含量。這一階段的數(shù)字式核輻射儀器主要型號有PD一3013、FD一3003、FD一3017等輻射儀。八十年代末期，隨著CMOS單片微機(jī)的出現(xiàn)，單片機(jī)化核輻射儀器也開始出現(xiàn)。人們用CMOS單片微機(jī)取代了傳統(tǒng)儀器中的定時器、控制器、運算器和計數(shù)器，并充分利用計算機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理及存儲能力使儀器具有了自檢、自測參數(shù)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲以及和微機(jī)通信功能。這類智能化核輻射儀器主要有FD一3022四道能譜儀、FD一3029測井儀。如圖4.1所示，單片機(jī)化放射性儀器由硬件及軟件兩大部分組成。圖4。1 單片機(jī)化核輻射儀器的組成1、軟件部分

3、單片機(jī)化核輻射儀器的軟件部分由自檢軟件、監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)處理軟件等部分構(gòu)成。(1)自檢軟件：這種軟件是一種用于自動檢查儀器硬件部分是否存在故障，以及檢查儀器是否能正常工作的軟件。(2)監(jiān)控軟件：監(jiān)控軟件是用于人機(jī)會話、管理控制整個儀器工作的軟件，它是整個系統(tǒng)軟件的骨架。(3)數(shù)據(jù)處理軟件：這部分軟件用于對從探頭采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理。在單片機(jī)化放射性勘查儀器中常用的數(shù)據(jù)處理軟件有平均值濾波軟件、歸一化軟件、測模型求參數(shù)軟件、解方程求含足軟件、平滑、找峰、剝譜等軟件。2硬件部分單片機(jī)化 放射性儀器的硬件部分由探頭、主放大器、幅度分析器和單片微機(jī)系統(tǒng)組成其中單片微機(jī)系統(tǒng)又由單片微機(jī)、顯示器、外接存

4、儲器、鍵盤、打印機(jī)、通信接口等幾部分組成。單片機(jī)化放射性儀器的探頭通常由輻射探測器、高壓變換器、前置放大器三部分組成，它們將所接收到的環(huán)境核輻射轉(zhuǎn)化為核輻射脈沖。探頭的實際電路可參看圖4.2。 在單片機(jī)化放射性儀器中常用的輻射探測器有：主要探測輻射的氣體探測器(電離室、計數(shù)管)，探測輻射的NaI(T1)閃爍探測器、BGO閃爍探測器、蒽晶體閃爍探測器、塑料晶體閃爍探測器；探測輻射的ZnS(Ag)閃爍探測器及半導(dǎo)體金硅面條探測器。這些探測器將所接收到的核輻射轉(zhuǎn)化為核輻射脈沖。高壓變換器是一種高效率的穩(wěn)定度較高的DC-DC直流變換器。它把低壓直流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的高壓直流電，用以供給光電倍增管工作(60

5、0-1200v)，或供給半導(dǎo)體探測器工作(40-190V)。由于高壓的大小直接影響輸出電脈沖的幅度所以高壓變換器都帶有穩(wěn)壓電路。由于探測器高壓功耗很小，所以高壓變換器為追求高效率和低功耗，設(shè)計的輸出電流都很小，僅為毫安及微安級。LCD現(xiàn)已成為智能儀器儀表的主流顯示器件,一般選用日本OPTREX公司和香港精電公司的產(chǎn)品?；趩纹瑱C(jī)的核能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以多道脈沖幅度分析器為核心，結(jié)合脈沖信號采集和核能譜數(shù)據(jù)處理的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠完成核能譜數(shù)據(jù)的獲取和分析的整個過程，并有功耗低、體積小、質(zhì)量輕,便于攜帶等適合現(xiàn)場操作等特點。 二、方框圖核能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件框圖如圖4.1所示，由

6、探測器、線性脈沖放大器、多道脈沖幅度分析器、單片微機(jī)系統(tǒng)等構(gòu)成。單片微機(jī)系統(tǒng)完成譜數(shù)據(jù)的獲取和分析功能。 三、工作原理（一）硬件設(shè)計 1、多道脈沖幅度分析器多道脈沖幅度分析器是多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的核心部件，其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖4.2。多道脈沖幅度分析器的作用是把被測得的模擬量轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能接受的數(shù)字量，即完成對脈沖幅度的甄別。其工作過程如下：獲取能譜信號(采樣脈沖峰值)，ADC將脈沖幅度轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)值量,再以數(shù)字量作為存儲器的道址碼記錄脈沖數(shù)，存儲于存儲器中的各道計數(shù)即表征了脈沖按幅度大小的分布情況，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2、LCD接口電路單片機(jī)與LCD有兩種接口方式：直接訪問方式(或稱總

7、線方式)和間接控制方式。所謂直接訪問方式就是把LCD作為存儲器或I/O設(shè)備直接掛在計算機(jī)的總線上。控制器的數(shù)據(jù)線接在單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上，片選及寄存器選擇信號由單片機(jī)的地址總線提供,讀和寫操作由單片機(jī)的讀寫操作信號控制。LCD的單片機(jī)接口時序有Intel8080時序和M6800時序兩種,在單片機(jī)與LCD的直接方式下接口首先考慮時序轉(zhuǎn)換問題。設(shè)計中選用的主控單片機(jī)AT89C55為Intel8080時序,而SED1335接口也選用Intel8080時序的接口電路,所以無須時序轉(zhuǎn)換。（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計1、編程語言選擇在研制單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時，匯編語言是一種常用的軟件工具。它能直接操作硬件，指令的執(zhí)行速度

8、快。但其指令系統(tǒng)的固有格式受硬件結(jié)構(gòu)的限制很大，且難于編寫與調(diào)試，可移植性也差。尤其是在數(shù)據(jù)的處理上，匯編語言在多字節(jié)數(shù)據(jù)處理、浮點數(shù)處理上有著很大的難度。在匯編中嵌入C語言，這樣使得程序在多字節(jié)數(shù)據(jù)處理、浮點數(shù)處理上變得很容易。2、軟件的結(jié)構(gòu)層次多道數(shù)據(jù)采集軟件是多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個重要組成部分,其直接面向用戶,其結(jié)構(gòu)如圖4。3所示。各層功能如下:1)多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件層：直接和底層硬件配合,接收來自AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，與外部RAM、PC機(jī)以及LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,響應(yīng)鍵盤的操作等。2)協(xié)議層：MPU的資源分配，與LCD和鍵盤的接口規(guī)范、相互通信的軟協(xié)議以及數(shù)據(jù)的采集。3)應(yīng)用程序?qū)樱簩崿F(xiàn)譜數(shù)

9、據(jù)的顯示,各種參數(shù)的設(shè)置以及譜線的分析等功能。4)用戶界面層：直觀體現(xiàn)程序的各種功能,由用戶選擇任務(wù)執(zhí)行響應(yīng)的功能。3 軟件的功能多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件直接與硬件接口，實現(xiàn)硬件驅(qū)動(軟件對硬件的調(diào)度如圖4所表示)，同時編制用戶界面和進(jìn)行譜數(shù)據(jù)處理，具體說來主要完成以下任務(wù)：對控制電路的控制作用；A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀?。煌獠縍AM 的存??；鍵盤的控制；LCD的控制； 測量時間計時；串口通信的控制；界面的編制和譜數(shù)據(jù)處理。第二節(jié)：USB便攜式多道能譜儀的設(shè)計與實現(xiàn)21 USB的一般概念 USB是英文 Universal Serial BUS 的縮寫，中文意思就是“通用串行總線”。它不但是一種新的總線標(biāo)

10、準(zhǔn)，而且也是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的一種新型的接口技術(shù)。 以往的電腦系統(tǒng)連接外圍設(shè)備的接口并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如鍵盤用PS/2接口，連接打印機(jī)要用2 5針的并行接口，鼠標(biāo)則要用串行或 PS/2接口。USB則將這些不同的接口統(tǒng)一起來，使用一個4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭。通過這個標(biāo)準(zhǔn)插頭，采用菊花鏈形式可把所有外設(shè)連接起來，并且不會損失帶寬。USB設(shè)備具有連接單一化、軟件自動“偵測”以及熱插拔的功能。也就是說，在電腦不關(guān)機(jī)的情況下，就可將設(shè)備連接到電腦上，或者將設(shè)備從電腦上拔下。這可以說是做到了真正的即插即用。 近年來，USB技術(shù)已成為計算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)之一，并為越來越多的個人電腦使用者所接受。現(xiàn)在，如果想買

11、了一臺沒有USB接日的電腦都很困難了。USB技術(shù)并不僅限于PC行業(yè)，現(xiàn)在每一個計算機(jī)硬件的生產(chǎn)商都在嘗試在自己的平臺上應(yīng)用USB技術(shù)。那么什么是USB呢？ 最初，USB是由Compaq,Digital Eouip-Ment,IBM,Intel,Microsoft,NEC以及Northern Telecom這7家公司共同開發(fā)的一種新的外設(shè)連接技術(shù)。這一技術(shù)將最終解決對串行設(shè)備和并行設(shè)備如何與計算機(jī)相連的爭論，大大簡化了計算機(jī)與外設(shè)的連接過程。1995年，通用串行總線由“通用串行總線應(yīng)用論壇（U SBIF）進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。目前已有許多串行端口和串行總線技術(shù)應(yīng)用于主機(jī)與外設(shè)之間的通信，但它們都有其特定

12、的目的和缺點。而該組織的目標(biāo)就是發(fā)展一種兼容低速和高速的技術(shù)，從而可以為廣大用戶提供一種可共享、可擴(kuò)充、使用方便的串行總線。該總線應(yīng)獨立于主計算機(jī)系統(tǒng)，并在整個計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中保持一致。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，USBIF發(fā)布了一種稱為通用串行總線的串行技術(shù)規(guī)范（Universal Serial BUS） 通常所用的鼠標(biāo)和調(diào)制解調(diào)器都是連接在串口上的。但USB并不完全是一個串口，它實際上是一種串行總線。這意味著電腦上的USB接口可以連接許多設(shè)備，這些設(shè)備可以相互連接在一起，而且不同類型的設(shè)場可通過一種稱為USB集線器的硬件分離開來。這些與傳統(tǒng)的串口上只能連接一個設(shè)備是有著本質(zhì)區(qū)別的。但是要想在同一條總

13、線、上連接不同的設(shè)備并不容易實現(xiàn)，因為這意味著會有許多設(shè)備來共享總線上有限的帶寬.對于我們所熟悉的RS2 3 2串口通信的標(biāo)準(zhǔn)來說，其帶寬就非常有限，不能用來與打印機(jī)相連。當(dāng)然，也就更不可能利用它來從數(shù)碼相機(jī)上下載圖片了。一條RS232串口通信電纜只能連接一個物理設(shè)備，而USB上卻可以連接多達(dá)127個外設(shè)。所有這些外設(shè)都有可能與主機(jī)進(jìn)行通信。USB不僅要處理好總線競爭問題，還要保證各設(shè)備的正常數(shù)據(jù)通信要求。因此，相對于RS2 3 2而言，tEI3總線的實現(xiàn)機(jī)制要復(fù)雜得多。22 USB的發(fā)展與應(yīng)用在1996年，USBIF公布了USB規(guī)范10，這是第一個為所有的USB產(chǎn)品提出設(shè)計請求的標(biāo)準(zhǔn)。199

14、8年，在進(jìn)一步對以前版本的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行闡述和擴(kuò)充的基礎(chǔ)上，發(fā)布了USB標(biāo)準(zhǔn)的11規(guī)范。而此時聯(lián)盟僅有四個核心的成員公司，它們是CompAq、Intel, NEC公司。隨著USB的普及與推廣，USB的成員一直持續(xù)不斷地增加，如今已是非常龐大的推廣組織了。USB接口規(guī)范11中的12MBIT/S的傳送速度可滿足大部分的使用需求。當(dāng)然，快速的20規(guī)范，提供更佳的傳輸率。USB 20的傳翰速度最高可以達(dá)到480 Mbps，也即是480 Mbits. USB 20于 2004年4月發(fā)表，新增了高速模式。USB20是版本更新的一大躍進(jìn)，它加入了許多高速傳輸?shù)奶匦灾С?。原來的預(yù)測是希望增進(jìn)20倍的傳輸速率，實際上

15、增進(jìn)了40倍的傳輸速率(4 8 0 M b/S), 對打印機(jī)、掃描儀、硬盤以及影像設(shè)備等，無疑是一大福音。同時，USB 20與 USB1l兼容，它們使用相同的連接器和電纜。不過，如果要使用最新的高速傳輸，則必須使用與 USB20兼容的主機(jī)與集線器。如果將較慢的外圍設(shè)備連接至與 USB20兼容的集線器上，集線器會自動轉(zhuǎn)換外圍設(shè)備的速率和 USBl0的速率?？稍诰W(wǎng)站免費下載 USB 20規(guī)范，同時也可找到最新USB信息。其網(wǎng)址是http：/。 在USB方式下，所有外設(shè)都在機(jī)箱外連接，不必再打開機(jī)箱，允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機(jī)電源。USB采用“級聯(lián)”方式，即每個USB設(shè)備用

16、一個USB插頭連接到一個外設(shè)的USB插座上，而其本身又提供一個USB插座供下一個USB外設(shè)連接使用。通過這種類似菊花瓣式的連接（星型結(jié)構(gòu)），一個 USB控制器可連接多達(dá) 12 7個外設(shè)，而每個外設(shè)間距離（線纜長度）為5m。USB能智能識別USB鏈上外圍設(shè)備的插入或拔出，USB為PC的外設(shè)擴(kuò)充提供了一個很好的解決方案。 主機(jī)和USB設(shè)備之間的連接拓補結(jié)構(gòu)是星型連接。USB連接器分A系列和B系列，一般USB設(shè)備利用B系列連接器與主機(jī)連接，而鍵盤、鼠標(biāo)和擴(kuò)充集線器等USB設(shè)備則利用A系列連接器與主機(jī)實現(xiàn)連接。主機(jī)與要求全速傳輸?shù)腢SB設(shè)備連接時。可利用HUB級聯(lián)方式延長連接距離，但最多允許5個HUB

17、級聯(lián)，最長擴(kuò)展連接距離不得超過30m。 對一般外設(shè)而言，USB有足夠的帶寬和連接距離來支持它。USB允許3種數(shù)據(jù)傳輸速率，低速傳輸為1。 5 Mb/S，全速傳輸為 12 Mb/S，而高速傳輸為 480MbS和 其連接采用 4芯電纜（電源線2條和信號線2條）。USB能支持高速接口，如 ISDN、PRI和TI，使用戶擁有足夠的帶寬供新的數(shù)字外設(shè)使用。 USB技術(shù)正在不斷地發(fā)展和完善，因而支持USB技術(shù)的外設(shè)也在不斷地涌現(xiàn)，如USB鍵盤、USB鼠標(biāo)、U SB調(diào)制解調(diào)器等?？梢灶A(yù)見，以后的主板上將沒有PS/2、C0M等規(guī)格不一的外設(shè)接口，取而代之的是數(shù)個USB接口，所有外設(shè)都通過這一接口連接。不管是計

18、算機(jī)還是連接的外圍設(shè)備，在新產(chǎn)品開發(fā)時保持兼容性是必須考慮的。即使是革命性的新外圍設(shè)備，也必須使用到所連接計算機(jī)提供的接口。當(dāng)設(shè)計一個外圍設(shè)備的接口時，該外圍設(shè)備應(yīng)具備以下特性。 穩(wěn)定性：具備自動查錯和除錯的功能，使錯誤的發(fā)生率幾乎為零。 便宜：讓大部分用戶都有能力購買。 省電：在便攜式計算機(jī)上能降低電池的消耗。 有彈性：讓許多不同種類的外圍設(shè)備都可以使用這個接口。 快速：此接口不可以成為傳輸?shù)钠款i。 容易使用：用戶容易安裝、設(shè)置與使用。 操作系統(tǒng)的支持：如果操作系統(tǒng)支持此接口，則開發(fā)者就不必自行開發(fā)底層的驅(qū)動程序。USB就是一個符合上述條件且便于開發(fā)最新外圍設(shè)備的接口。USB不僅設(shè)計簡單，而

19、且使用起來非常有效。許多不同種類的外圍設(shè)備，例如鼠標(biāo)、鍵盤、掃描儀、移動硬盤、打印機(jī)等，都可以使用 USB接口。由于要求設(shè)計的USB外圍設(shè)備使用時比較靈活，使得US口接口開發(fā)比起以前的接口開發(fā)更復(fù)雜，所以對設(shè)計USB外圍設(shè)備的人來說，開發(fā)USB接口是一項挑戰(zhàn)。當(dāng) USB最早出現(xiàn)在PC機(jī)上時，Windows操作系統(tǒng)尚未包含所有外圍設(shè)備的驅(qū)動程序。不過，這些問題現(xiàn)在都已經(jīng)解決。因為越來越多的控制芯片、開發(fā)工具以及操作系統(tǒng)支持USB接口，所以USB已成為在外圍設(shè)備上廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)接口。23 USB的特點 若將外圍設(shè)備連接到計算機(jī)上，USI3接口是優(yōu)先的選擇，不管是使用外圍設(shè)備的用戶，還是開發(fā)USB軟

20、硬件的設(shè)計者，USB都有讓雙方滿意的特性。 1使用方便使用USB接口可以連接多個不同的設(shè)備，支持熱插拔；在軟件方面，為USB設(shè)計的驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件可自動啟動，無須用戶干預(yù)。U SB設(shè)備也不涉及IRQ沖突等問題，它單獨使用自己的保留中斷，不會與其他設(shè)備爭用PC機(jī)有限的資源，為用戶省去了硬件配置的煩惱。U SB設(shè)備能真正做到“即插即用”。2傳輸速率高在傳輸速率方面，USB支持3種信道速率：低速（Low speed）的 15 Mb/S、全速(full speed）的 12 Mb/S以及高速(hiph speed）的480 Mb/S。具備USB功能的PC都支持低速與全速，而高速則需要支持 USB 2

21、0的主機(jī)板或擴(kuò)充卡。通常 USB傳輸速率指的是信號或信道支持的位速率，每一個USB設(shè)備的實際數(shù)據(jù)傳輸速率會比理想值低。除了數(shù)據(jù)之外，信道還需要傳輸狀態(tài)、控制與錯誤檢查的信號。由于多個USB設(shè)備可能分享同一個信道，所以在實際應(yīng)用中，對于單一傳輸最大速率，在高速模式下為5 3Mb/S，在全速模式下為 12 Mb/S乍，在低速模式下則為8 0 0 b/S。 3連接靈活USB接口支持多個不同設(shè)備的串列連接，一個USB接口理論上可連接127個USB設(shè)備。連接的方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器（HUB）把多個設(shè)備連接在一起，再與PC機(jī)的USB接口相連。在USB方式下，所有外設(shè)都在機(jī)箱外

22、連接，不必打開機(jī)箱；并且允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機(jī)電源。USB采用“級聯(lián)”方式，即每個USB設(shè)備用一個USB插頭連接到一個外設(shè)的USB插座上，而其本身又提供一個USB插座供下一個USB外設(shè)連接用。通過這種類似菊花鏈?zhǔn)降倪B接，一個USB控制器可連接多達(dá)127個外設(shè)，而每個外設(shè)間距離（線纜長度）可達(dá)5m。USB還能智能識別USB鏈上外圍設(shè)備的接入或拆卸。4獨立供電普通使用串口、并日的設(shè)備都需要單獨的供電系統(tǒng)，而 U SB設(shè)備則不需要，這是因為USB接口提供了內(nèi)置電源。由于USB電源能向低壓設(shè)備提供5 V的電源，因此新的設(shè)備就不需要專門的交流電源，從而降低了這些設(shè)備的成本并提高了性價比。5支持多

23、媒體USB提供了對電話的兩路數(shù)據(jù)支持，并可支持異步以及同步數(shù)據(jù)傳輸，使電話可與PC集成，共享語音郵件及其他特性。USB還具有高保真音頻。由于USB音頻信息生成于計算機(jī)外，因而減少了電子噪音于擾聲音質(zhì)量的機(jī)會，從而使音頻系統(tǒng)具有更高的保真度。另外，USB還具有穩(wěn)定的傳輸，可工作在低功耗模式以及高性價比等優(yōu)點。但 USB同時還存在著一些不足，主要表現(xiàn)在：缺乏對舊的設(shè)備和操作系統(tǒng)的支持，傳輸速率與電纜長度的限制及不支持點對點（peer-to-peer）的連接等方面。 USB設(shè)備不支持點對點的連接，外圍設(shè)備之間不能直接彼此溝通，必須通過主計算機(jī)才行。而IEEE1394設(shè)備支持點對點的連接，允許外圍設(shè)備

24、直接通信。這樣就大大地限制了USB設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。針對這個問題，USB的相關(guān)組織在2001年定義了一個USB OTG(On-The-Go）規(guī)范來補充USB 20規(guī)范，從而彌補了原來的不足。 24 USB系統(tǒng)的描述 一個USB系統(tǒng)主要被定義為以下3部分： U SB的互連； .USD的設(shè)備； USB的主機(jī)。 USB的互連是指USB設(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行連接和通信的操作，主要包括以下幾方面。 總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：USB設(shè)備與主機(jī)之間的各種連接方式。 層間關(guān)系：USB的任務(wù)被分配到系統(tǒng)的每一個層，每一層完成特定的任務(wù)。 數(shù)據(jù)流模式：描述了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中通過USB從產(chǎn)生方到使用方的流動方式。 USB的調(diào)度：USB

25、提供了一個共享的連接。對可以使用的連接進(jìn)行調(diào)度，以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，并且避免了優(yōu)先級判別的開銷。USB設(shè)備與USB主機(jī)通過USB連接。USB的物理連接是有層次性的星型結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)絡(luò)集線器是在星型的中心，每一段都是從主機(jī)到集線器或其功能部件，或者從集線器到集線器或其功能部件之間的一個點到另一個點的連接，從圖4l一中可看出 USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖4.l 總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1USB的主機(jī)在任何USB系統(tǒng)中，只有一個主機(jī)。USB與主機(jī)系統(tǒng)的接口稱作主機(jī)控制器。主機(jī)控制器可由硬件、固件和軟件綜合實現(xiàn)。根集線器是由主機(jī)系統(tǒng)整合的，用以提供更多的連接點。 2USB的設(shè)備 從USB協(xié)議的角度來分析，USB的設(shè)備可

26、分為以下兩類。 網(wǎng)絡(luò)集線器：提供U SB更多的連接點。 功能器件：為系統(tǒng)提供特定的功能，如 ISDN的連接設(shè)備、鼠標(biāo)、鍵盤等具體設(shè)備。為了滿足USB設(shè)備正常工作需要，提供的USB標(biāo)準(zhǔn)接口應(yīng)當(dāng)滿足以下要求： 符合 USB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)； 可以響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)USB操作，如配置和復(fù)位操作等； 具有標(biāo)準(zhǔn)的描述信息。 25數(shù)據(jù)流種類數(shù)據(jù)和控制信號在主機(jī)與LJ SB設(shè)備間的交換存在兩種通道：單向和雙向。USB的數(shù)據(jù)傳輸是在主機(jī)軟件與一個USB設(shè)備的指定端口之間。這種主機(jī)軟件與USB設(shè)備的端口間的聯(lián)系稱作通道?？偟膩碚f，各通道之間的數(shù)據(jù)流動是相互獨立的。一個指定的 USB設(shè)備可有許多通道。例如，一個USB設(shè)備存在一個端

27、口，可建立一個向其他USB設(shè)備的端日發(fā)送數(shù)據(jù)的通道，并可建立一個從其他USB設(shè)備的端口接收數(shù)據(jù)的通道。USB的結(jié)構(gòu)包含以下4種基本的數(shù)據(jù)傳輸類型。控制數(shù)據(jù)傳輸：在設(shè)備連接時用來對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，還可對指定設(shè)備進(jìn)行控制，如通道控制。批量數(shù)據(jù)傳輸：大批量產(chǎn)生并使用的數(shù)據(jù)，在傳輸約束下具有很廣的動態(tài)范圍。中斷數(shù)據(jù)的傳輸：用來描述或匹配人的感覺或?qū)μ卣鞣磻?yīng)的回饋c同步數(shù)據(jù)的傳輸：由預(yù)先確定的傳輸延遲來填滿預(yù)定的USB帶寬。對于任何特定的設(shè)備進(jìn)行設(shè)置時，一種通道只能支持上述一種方式的數(shù)據(jù)傳輸。1控制傳輸 當(dāng)USB設(shè)備初次安裝時，USB系統(tǒng)軟件采用控制數(shù)據(jù)來對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，設(shè)備驅(qū)動程序通過特定的方式使用控制

28、數(shù)據(jù)來傳輸，數(shù)據(jù)傳輸是無損性的。2批量傳輸批量數(shù)據(jù)是由大量的數(shù)據(jù)組成，如使用打印機(jī)和掃描儀時，批量數(shù)據(jù)是連續(xù)的。在硬件級上可使用錯誤檢測，以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，并在硬件級上引人了數(shù)據(jù)的多次傳輸。此外，根據(jù)其他一些總線動作，被大量數(shù)據(jù)占用的帶寬可以相應(yīng)地進(jìn)行改變。3中斷傳輸中斷數(shù)據(jù)是少量的，且其數(shù)據(jù)延遲時間也是有范圍的。這種數(shù)據(jù)可由設(shè)備在任何時刻發(fā)送，并且以不慢于設(shè)備指定的速率在USB上傳輸。中斷數(shù)據(jù)一般由事件通告、特征及座標(biāo)號組成，只有一個或幾個字節(jié)。匹配定點設(shè)備的座標(biāo)即為一例。雖然精確指定的傳輸率不必要，但USB必須對交互數(shù)據(jù)提供一個反應(yīng)時間的最低界限。4同步傳輸同步數(shù)據(jù)的建立、傳輸和使用是

29、連續(xù)且實時的，并以穩(wěn)定的速率發(fā)送和接收實時的信息且使接收者與發(fā)送者保持相同的時問安排。除了傳輸速率，同步數(shù)據(jù)對傳輸延遲非常敏感，因此，同步通道帶寬的確定，必須滿足對相關(guān)功能部件的取樣特性。不可避免的信號延遲與每個端口的可用緩沖區(qū)數(shù)有關(guān)。一個典型的同步數(shù)據(jù)的例子是語音。如果數(shù)據(jù)流的傳送率不能保持，數(shù)據(jù)流是否丟失將取決于緩沖區(qū)的大小和損壞的程度。即使數(shù)據(jù)在USB硬件上以合適的速率傳輸，軟件造成外傳輸延遲將對那些如電話會議等實時系統(tǒng)的應(yīng)用造成損害。實時地傳輸同步數(shù)據(jù)肯定會發(fā)生潛在瞬時的數(shù)據(jù)流丟失現(xiàn)象。換句話說，即使許多硬件機(jī)制（如重傳）的引入也不能避免錯誤的產(chǎn)生。實際應(yīng)用中，U SB的數(shù)據(jù)出錯率小到

30、幾乎可忽略不計。從USB的帶寬中給USB同步數(shù)據(jù)流分配了專有的一部分，以滿足所想得到的速率。USB還為同步數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計了最少延遲時間。 26 EZUSB 簡介1、概述Cypress半導(dǎo)體公司的EZUSB系列芯片以其良好的性能和獨特的設(shè)計在USB接口開發(fā)領(lǐng)域中占有重要的位置。EZUSB2100和 EZUSB FX系列芯片是全面支持 USBll的全速系列芯片。在此基礎(chǔ)上，Cypress半導(dǎo)體公司又研制了 EZUSB FX2芯片。該芯片符合USB 20協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，同時兼容U SBI1全速工作方式，是對EZUSB系列產(chǎn)品的又一推動。該系列芯片的類型及特性如表41所列。Cypress EZ-USB系列（

31、AN21X X）在其他USB結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了重要的改進(jìn)，包括增強(qiáng)型8051核芯、48 KB RAM、智能劃USB核芯和高性能I/O端口。該系列包括10種不同的產(chǎn)品，以適應(yīng)不同系統(tǒng)的需要。CY7C646XX（EZUSB FX）是Cypress半導(dǎo)體公司第二代全速USB系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品比第一代EZUSB產(chǎn)品具有更高的性能和集成水平。它基于 EZUSB特性功能部件，包括智能USB核芯，增強(qiáng)型8051核芯，8 KBRAM和高性能I/O端口。CY7C646XX以提供更快的操作和更多與芯片高速傳輸數(shù)據(jù)的方式。2、EZ-USBFX2構(gòu)成 Cypress公司推出的 EZUSH FX2芯片，將 USB外圍接口設(shè)備所

32、需的各種功能包裝成一個簡潔的集成電路。如圖 22所示，集成的USB收發(fā)器連接到 USB總線中的D 十和D一串行接口引擎（SIE）迸行譯碼、編碼、錯誤糾正和位填充，變換USB所需的信號電平；最終，從USB接口 SIE發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。圖4.2 EZ-USBFX2內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.7 USB驅(qū)動程序簡介USB接口不像RS232串行接口那么簡單，可以直接使用系統(tǒng)所提供的COM端口直接溝通，可移植性也較高。相對地，USB是一個相當(dāng)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)接口，同時需要主機(jī)側(cè)與設(shè)備側(cè)的諸多軟件的支持。此外大部分主機(jī)側(cè)的連接接口，或多或少都可在Microsoft的操作系統(tǒng)下工作。但需注意的是，USB無法在D0S、window

33、s 3x或Windows NT操作系統(tǒng)下工作。而windows 95較新的修訂版也提供了若干的USB驅(qū)動程序的支持。Windows 98修訂第二版則已提供了大部分的驅(qū)動程序。同樣，windows2000也具備了這樣的基本文持的能力。Microsoft對于在windows 98以及以后的版本中，驅(qū)動程序的規(guī)劃都是架構(gòu)在win 32Driver Model(WDM)下的，將不同部分的通信過程加以分層規(guī)劃為一個驅(qū)動程序的堆棧，也即是如圖43所示的WDM堆棧。應(yīng)用程序代碼經(jīng)過windows API調(diào)用可以通過WDM下的群組或自定義驅(qū)動程序來相互通信。圖4.3 Windows USB WDM堆棧而在WD

34、M堆棧本身，數(shù)據(jù)的傳渝則是通過低階的IRP(IO請求封包)，而非調(diào)用API函數(shù)。較低階的USB總線驅(qū)動程序管理了USB設(shè)備電源、設(shè)備列舉及不同的USB數(shù)據(jù)交換。而下面的主機(jī)控制器驅(qū)動程序則是直接采用PC上的USB硬件。若是使用目前windows版本所提供的所有的驅(qū)動程序，將可使用戶無須重寫或修改它們。2.8利用USB接口的多道能譜儀1、傳統(tǒng)的多道能譜儀一般采用NIM（Nuclear Instrument Module）插件的標(biāo)準(zhǔn)模式。但其存在體積龐大、抗干擾能力差等缺點，不適合于野外現(xiàn)場測量。為適應(yīng)多道能譜儀智能化、微機(jī)化、便攜化的實際需要，采用筆記本電腦作為能譜儀的上位機(jī)。常用接口方式主要有

35、RS-232C串口、紅外線端口、EPP并口、USB、1394、Ethernet等?；赨SB技術(shù)的譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖4-4所示。下位機(jī)硬件部分主要由射線探測系統(tǒng)(探頭)、脈沖信號調(diào)理電路、數(shù)字電位器、多道脈沖幅度分析器、USB接口電路以及電源電路等構(gòu)成，其中探頭部分包括NaI (T1)閃爍探測器，前置電路和高壓電源等，多道脈沖幅度分析器部分主要包括峰值甄別電路、控制電路、AD轉(zhuǎn)換電路以及微控制器系統(tǒng)。上位機(jī)由臺式或筆記本微機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。軟件部分主要由微控制器固件程序、USB設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序組成。2、系統(tǒng)軟件設(shè)計2.1 微控制器固件程序所謂固件程序就是固化在程序存儲器中的程序代

36、碼。固件開發(fā)使用的是Keil C51語言，開發(fā)平臺為Vision2集成開發(fā)環(huán)境。 開發(fā)平臺概述 由于指令、資源等問題，在進(jìn)行微控制器固件程序設(shè)計時，應(yīng)該考慮的問題有: (1)固件的執(zhí)行效率 (2)固件開發(fā)的效率和可維護(hù)性 (3)固件的可升級性 在早期的微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中，固件設(shè)計大多采用的是匯編語言。而隨著微控制器硬件的發(fā)展，8051微控制器軟件開發(fā)工具已有C級編譯器及實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS), C語言是一種編譯型的高級程序設(shè)計語言，它有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。隨著C編譯器的進(jìn)一步發(fā)展，過去長時間困擾人們的“高級語言產(chǎn)

37、生代碼太長，運行速度太慢不適合微控制器使用”的致命缺點已被大幅度地克服。目前，8051上的C語言代碼長度己經(jīng)做到最優(yōu)匯編程序的1.2-1.5倍，而且目前8051系列微控制器的程序ROM已經(jīng)做的很大(>64K字節(jié))，代碼效率所差的20%-50%已經(jīng)不是重要問題。關(guān)于執(zhí)行速度的問題，只要有好的仿真器的幫助，用人工優(yōu)化關(guān)鍵代碼就是很簡單的事了。如果談到開發(fā)速度、軟件質(zhì)量、結(jié)構(gòu)嚴(yán)禁、程序堅固等方面的話，則C語言的完美絕非是匯編語言所能比擬的。 目前在進(jìn)行有關(guān)微控制器應(yīng)用設(shè)計時，除了在對時間比較嚴(yán)格的模塊中使用匯編語言外，其它模塊推薦使用C語言。 KeilC51(最新版本為7.01)作為事實上的8

38、051微控制器C編程的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，己被完全集成在Keil公司開發(fā)的gVision2 IDE環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含:編譯器、匯編器、實時操作系統(tǒng)、項目管理器、調(diào)試器。在整個微控制器固件的開發(fā)過程中，在l,Vision2的集成開發(fā)環(huán)境下完成所有固件源代碼的編寫、編譯和調(diào)試。值的注意的是，iVision2提供了軟件仿真功能調(diào)試代碼，不使用仿真器就可以開發(fā)出高質(zhì)量的代碼，大大縮短了開發(fā)周期和節(jié)約了開發(fā)成本。   2.2設(shè)備驅(qū)動程序概述 在Windows系統(tǒng)下，程序代碼是在用戶模式(user mode)或是內(nèi)核模式(kernel mode)中執(zhí)行。在IA-32處理器中，用戶模式相當(dāng)于CPU的Ring3模式，內(nèi)核模式相當(dāng)于CPU的RingO模式。包括USB驅(qū)動程序在內(nèi)的大部分驅(qū)動程序，都是在內(nèi)核模式中執(zhí)行。在內(nèi)核模式中，程序代碼沒有系統(tǒng)