時(shí)間域電磁法系統(tǒng)中USB技術(shù)的應(yīng)用研究

楊 勣

摘要 時(shí)間域電磁方法是目前先進(jìn)的近地探測的方法之一,已廣泛的應(yīng)用于礦藏勘探、航空和海洋及近地礦井等勘探領(lǐng)域。對比目前國內(nèi)外同類儀器的探測性能,國內(nèi)基于時(shí)間域的電磁系統(tǒng)主要存在電磁兼容性差、通信技術(shù)相對落后(速度慢)、功率小、運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性較差等問題。本文選取了用于該系統(tǒng)的USB數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用為研究重點(diǎn),從USB技術(shù)的傳輸結(jié)構(gòu)出發(fā)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于時(shí)間域電磁法系統(tǒng)中的高速USB通訊體系。通過仿真實(shí)驗(yàn)分析證明該體系基本滿足了系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

關(guān)鍵詞 時(shí)間域電磁法;上位機(jī)通訊;USB技術(shù);傳輸結(jié)構(gòu)

中圖分類號 TH763 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708(2009)07-0080-02

0 引言

近年來,基于時(shí)間域電磁法技術(shù)在國內(nèi)外迅速發(fā)展,可以解決的地質(zhì)問題范圍不斷擴(kuò)大,目前幾乎涉足了地球物理勘探的各個(gè)領(lǐng)域,包括空中和海洋甚至是淺層地表的礦井滲水等領(lǐng)域,并且取得了顯著的效果,已經(jīng)成為不可缺少的地球物理勘探方法之一[1],但高速通訊技術(shù)一直都是該技術(shù)發(fā)展過程中的一個(gè)瓶頸問題。USB技術(shù)作為當(dāng)前計(jì)算機(jī)外設(shè)的普遍采用的接口方式,其具有高速、即插即用、熱插拔、擴(kuò)展方便等獨(dú)特的優(yōu)越性且具有較高的傳輸速度(USB 協(xié)議1.1支持的最高傳輸速度為12Mbps,而USB協(xié)議2.0支持的最高傳輸速度更是高達(dá)480Mbps),支持即插即用和熱插拔功能,USB設(shè)備的連接電纜最長可達(dá)5m,且可通過USB集線器進(jìn)行層式星形拓?fù)溥B接,因此,其非常適合作為主機(jī)和其他外設(shè)之間的通信接口。

這些問題的出現(xiàn)為高速USB技術(shù)的應(yīng)用提供了廣泛的空間。本文采用了TMS320LF2407A 作為系統(tǒng)的驅(qū)動DSP,其片內(nèi)外設(shè)的串行通信接口SCI模塊是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通用異步接收/發(fā)送(UART)可編程串行通信接口。SCI支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)不歸零格式(NRZ)的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。整個(gè)接口電路簡單、可靠性高。驅(qū)動DSP的數(shù)據(jù)通訊用USB技術(shù)實(shí)現(xiàn),并通過對USB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間域電磁法探測系統(tǒng)的高速通訊,從最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,我們的設(shè)計(jì)是成功而有效的。

1 USB傳輸技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

USB技術(shù)是目前工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的通訊技術(shù)手段之一[3]。USB(Universal Serial Bus,通用串行總線)是由Intel、Microsoft、IBM及NEC等公司共同制定的微機(jī)總線接口規(guī)范,該技術(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)范中將USB分為5個(gè)部分:控制器、控制器驅(qū)動程序、USB芯片驅(qū)動程序、USB設(shè)備以及針對不同USB設(shè)備的客戶驅(qū)動程序?？刂破?Host Controller)主要負(fù)責(zé)執(zhí)行由控制器驅(qū)動程序發(fā)出的命令?？刂破黩?qū)動程序(Host Controller Driver)在控制器與USB設(shè)備之間建立通信信道。USB芯片驅(qū)動程序(USB Driver)提供對USB的支持。USB設(shè)備(USB Device)包括與PC相連的USB外圍設(shè)備,分為兩類,一類設(shè)備本身可再接其它USB外圍設(shè)備,另一類設(shè)備本身不可再連接其它外圍設(shè)備,前者稱為集線器(Hub),后者稱為設(shè)備(Function)?；蛘哒f,集線器帶有連接其它外圍設(shè)備的USB端口,而設(shè)備則是連接在計(jì)算機(jī)上用來完成特定功能并符合USB規(guī)范的設(shè)備單元。

2 基于時(shí)間域電磁法系統(tǒng)的USB傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)

在我們設(shè)計(jì)的電磁法發(fā)射系統(tǒng)中采用了Philips 公司的PDIUSBD12,它符合USB1.1規(guī)范;采用28腳SO或TSSOP封裝;可以在3.3±0.3V 或3.6~5.5V 兩種電壓下工作;低功耗、符合USB電源管理的要求;內(nèi)部集成SIE、320bytes的FIFO緩存、收發(fā)器;以及電壓調(diào)整電路和終結(jié)電阻器;提供2Mbyte/s速率的并行接口;具有全自治本地DMA功能;芯片提供的多重中斷模式有利于批量和等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸模式;芯片提供了雙倍的輸入輸出緩沖,在批量模式達(dá)到1Mbytes/s 數(shù)據(jù)傳輸率,同步模式也可達(dá)到1Mbits/s 數(shù)據(jù)傳輸率;此外它還集成了許多特性,包括Soft ConnetTM、GoodLinkTM、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振(內(nèi)帶 PLL 倍頻電路)和終止寄存器集合。所有這些特性為系統(tǒng)節(jié)約了成本,同時(shí)使USB 功能在外設(shè)上的應(yīng)用變的容易。

我們將編寫完的程序固化到FLASHROM中,固件設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是使D12在USB上達(dá)到最大的傳輸速率。D12的固件要設(shè)計(jì)成完全的中斷驅(qū)動。當(dāng)DSP在前臺執(zhí)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)時(shí),USB的傳輸可在后臺進(jìn)行,這就確保了最佳的傳輸速率和采集站的流水線工作模式。后臺ISR(中斷服務(wù)程序)和前臺主程序循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)。對于D12的批量輸出端點(diǎn)可使用循環(huán)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證我們設(shè)計(jì)的應(yīng)用于時(shí)間域電磁法探測系統(tǒng)的高速USB傳輸系統(tǒng)的的性能。我們采用了基于計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)流速實(shí)驗(yàn)的手段對本設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。在驗(yàn)證過程中對USB傳輸系統(tǒng)的傳輸速率、最大傳輸距離、誤碼率、穩(wěn)定性以及野外復(fù)雜條件下的魯棒性進(jìn)行了測試。

從仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看,本文所采用的面向時(shí)間域電磁法探測系統(tǒng)的高速USB傳輸技術(shù)在應(yīng)用上是成功的。從測試結(jié)果分析,USB技術(shù)的控制、中斷及批量模式下的傳輸均能達(dá)到USB2.0的官方平均傳輸速率,在抗干擾方面也表現(xiàn)比較優(yōu)異,但其在同步模式下則表現(xiàn)得不是很穩(wěn)定。由于該系統(tǒng)主要用于野外作業(yè),所以在以后的研究中要重點(diǎn)研究該技術(shù)在這個(gè)方面的問題。

4 結(jié)論

作為一種先進(jìn)的地球物理探測方法,時(shí)間域電磁方法是目前采用的先進(jìn)的近地探測的方法,并且該方法已廣泛的應(yīng)用于礦藏勘探、航空和海洋等領(lǐng)域。對比目前國內(nèi)外同類儀器的發(fā)展現(xiàn)狀,國內(nèi)基于時(shí)間域的電磁系統(tǒng)主要存在電磁兼容性差、通信技術(shù)相對落后、功率小、運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性較差等問題。面對這個(gè)背景本文針對面向時(shí)間域電磁法探測系統(tǒng)的高速USB傳輸技術(shù)進(jìn)行了研究,通過硬件設(shè)計(jì)對應(yīng)用于該系統(tǒng)的USB進(jìn)行了傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)。通過對設(shè)計(jì)的仿真與實(shí)驗(yàn)得到了該設(shè)計(jì)的有效性結(jié)論,但在某些方面如USB同步模式下的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性還有待改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李貅.瞬變電磁測深的理論與應(yīng)用[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[2]王忠.基于雙AD與DSP技術(shù)的瞬變電磁法接收機(jī)的研制[D].長春:吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003.

[3]周立功.PDIUSBD12USB固件編程與驅(qū)動開發(fā)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2002,11.

[4]周國華.基于DSP的瞬變電磁探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長春:吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003.

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中國科協(xié)論壇聚焦干細(xì)胞研究

“我國研究干細(xì)胞的動物模型,不能僅停留在小鼠等小動物上,如果能舉全國之力試驗(yàn)大動物,如豬、猴子等,那我們就快成功了。”在不久前舉行的第二次中國科協(xié)論壇上,同濟(jì)大學(xué)校長、中國科學(xué)院院士裴剛在談到中國干細(xì)胞研究的機(jī)遇與挑戰(zhàn)時(shí),著重強(qiáng)調(diào)了大動物試驗(yàn)平臺的意義。

從1999年12月干細(xì)胞研究被評為世界十大科學(xué)研究之首至今,干細(xì)胞研究已走過了10年。裴剛說:“過去,干細(xì)胞研究一直比較熱門,有各種原因。其一,干細(xì)胞是科學(xué)的最前沿,因?yàn)橐粋€(gè)細(xì)胞變成很多細(xì)胞,變成個(gè)體,是怎么變的,人類永遠(yuǎn)是好奇的。其二,細(xì)胞分化以后能不能再回來?其三,如果這兩種可能存在的話,有什么用?人類各種疾病是不是可以用這種方法來治療?因此干細(xì)胞研究有非常深遠(yuǎn)的社會意義、政治意義和科學(xué)意義。”

在談到干細(xì)胞發(fā)展戰(zhàn)略時(shí),裴剛強(qiáng)調(diào)了人才和機(jī)制的重要性,希望有創(chuàng)新的研究體制和長期穩(wěn)定的支持,“開放性的招聘,長期穩(wěn)定的擇優(yōu)支持,國有評估,開放流動”。

在由裴剛擔(dān)任首席科學(xué)家的第二次中國科協(xié)論壇上,會聚了南開大學(xué)校長、中國科學(xué)院院士饒子和,中國科學(xué)院動物研究所所長、中國科學(xué)院院士孟安明等20多位知名學(xué)者。論壇議題為干細(xì)胞研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展、重大成果和發(fā)展態(tài)勢分析,我國干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域未來的發(fā)展戰(zhàn)略和相關(guān)建議等。

為發(fā)揮中國科協(xié)所屬學(xué)會在推動自主創(chuàng)新中的作用,根據(jù)中國科協(xié)領(lǐng)導(dǎo)關(guān)于舉辦高端學(xué)術(shù)論壇的指示精神,從2009年起設(shè)立中國科協(xié)論壇。論壇瞄準(zhǔn)科學(xué)發(fā)展前沿,圍繞建設(shè)創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略目標(biāo),面向國家重大戰(zhàn)略需求,緊密跟蹤高技術(shù)發(fā)展趨勢,就引領(lǐng)未來科技發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題、制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的瓶頸技術(shù)問題、重大工程技術(shù)中的核心科學(xué)問題,組織學(xué)術(shù)交流。

“中國科協(xié)論壇強(qiáng)調(diào)主題前沿性、人員高端性和規(guī)模小型性,注重主題新穎,形式靈活,探討深入?！敝袊茀f(xié)學(xué)會學(xué)術(shù)部部長沈愛民在第二次中國科協(xié)論壇上表示,希望專家學(xué)者在已經(jīng)有了一些研究成果的同時(shí),在這個(gè)論壇上,通過深入的研討,真正產(chǎn)生一些觀點(diǎn)。中國科協(xié)希望通過設(shè)立中國科協(xié)論壇的方式,提升學(xué)術(shù)交流層次,推動學(xué)科交叉和融合,營造和諧學(xué)術(shù)環(huán)境,提高學(xué)術(shù)交流的質(zhì)量和成效,促進(jìn)自主創(chuàng)新和高層次人才成長,打造新的學(xué)術(shù)交流品牌,優(yōu)化學(xué)術(shù)交流格局。