基于ＵＳＢ的数据实时采集和存储系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及基于ＵＳＢ的数据实时采集和存储系统及方法，包括与成像仪相连接的数据采集装置和计算机，本发明专利技术要解决的技术问题是提供一种基于ＵＳＢ的数据实时采集和存储系统及方法，以克服现有技术中存在的缺陷。本发明专利技术具有采集速度快，系统实时性好，传输可靠性高，并具有使用体积小，便于携带，工作性能稳定等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像数据采集与处理技术，尤其涉及高光谱成像仪的数据采集和处 理技术。
技术介绍
随着高光谱成像技术的高度发展，数据流量越来越大，实时性要求也不断提 高，这给高速实时数据采集系统带来了更大的挑战。为了避免PC系统数据处理抖动而发 生数据丢失，破坏系统可靠性，更要进一步提高系统实时性，必须研究开发高速数据采 集系统。因此，需要一种高效的图像数据实时采集及存储系 统，实现对高光谱成像数据 的高速采集、传输和存储，为高光谱成像技术提供有利的技术支持。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于USB的数据实时采集和存储系统及方 法，以克服现有技术中存在的缺陷。本专利技术的技术方案为一种基于USB的数据实时采集和存储系统，其特殊之处在于包括与成像仪相 连接的数据采集装置和计算机，所述数据采集装置用于实现数字图像数据到计算机的高速数据采集和传输，包 含四个接口模块、四个高速缓存模块以及两个数据发送模块，所述四个接口模块、四个 高速缓存模块以及两个数据发送模块可构成四路独立的数据传输通道；所述接口模块可实现成像仪和高速缓存模块间的电平转换和接口转换；所述高速缓存模块可实现数据的实时采集和缓存，包含输入端缓存器、输出端 缓存器、SRAM以及用以实现输入端缓存器、输出端缓存器和SRAM之间协调工作的控 制单元；其中输入端缓存器的输入端与相应的接口模块相连，此输入端缓存器的输出端 与SRAM的输入端相连；SRAM的输出端与输出端缓存器的输入端相连；所述输入端缓 存器、输出端缓存器分别为高速同步先进先出缓存器；所述数据发送模块可实现四个高速缓存模块与计算机的通信，包括USB控制芯 片和USB连接器，其中USB控制芯片包括8051单片机、串行接口引擎S正、通道控制缓 存器(FIFOO)、A通道缓存器(FIFOl)和B通道缓存器(FIF02)，其中8051单片机用于 对通道控制缓存器(FIFOO)、A通道缓存器(FIFOl)和B通道缓存器(FIF02)进行配置， 串行接口引擎SIE用于对输入数据进行译码、编码、错误纠正和位填充并变换为USB所 需的电平；其中通道控制缓存器(FIFOO)用于控制A通道缓存器(FIFOl)和B通道缓存 器(FIF02)是否接收数据，A通道缓存器(FIFOl)和B通道缓存器(FIF02)用于分别发 送一个高速缓存模块的数据，其输入端与相应的高速缓存模块中的输出端缓存器的输出 端相连，其输出端分别与串行接口引擎SIE相连，所述串行接口引擎SIE与USB连接器 相连，USB连接器通过USB电缆与计算机相连。 上述接口模块为电平转换器，实现将LVDS信号转换为TTL电平信号；所述四个高速缓存模块中的控制单元和高速同步先进先出缓存器通过FPGA实 现。上述计算机包含USB接口、内存、用于实现数据快速访问和存储的磁盘阵列、 用于实现图像采集及存储系统开启和关闭的开启关闭模块、用于实现图像数据的实时显 示的显示模块、用于实现图像数据的按需存储功能的处理单元。一种在权利要求1所述系统中实现的数据实时采集和存储方法，其特殊之处在 于，包含如下步骤步骤1]连接成像仪、数据采集装置和计算机；步骤2]将每个高速缓存模块的存储空间分为η个缓存块，记为AO Α(η_1)， 且任意时刻指定的写缓存块和读缓存块地址不同；设定输入端缓存器的最大输入缓存阈值和最小输入缓存阈值，设定输出端缓存 器的输出缓存阈值；将计算机内存分为m个缓存块，记为BO B(m-l)，且任意时刻指定的写缓存 块和读缓存块地址不同；步骤3]控制单元控制高速缓存模块进行数据采集；同时USB控制芯片进行数据采集；同时处理单元控制计算机进行数据采集；步骤4]关闭图像采集功能。步骤3]中所述控制单元控制高速缓存模块进行数据采集步骤如下步骤310]控制单元判断输入端缓存器状态是否大于最大输入缓存阈值；步骤311]A.若输入端缓存器状态大于最大输入缓存阈值，则控制单元判断指定的写缓存 块是否为可写；若该写缓冲块可写，则将指定大小的数据从输入端缓存器写入该缓存块，然后 返回步骤310]；若该写缓冲块不可写，则判断输出端缓存器状态是否小于最大输出缓存阈值；若输出端缓存器状态小于最大输出缓存阈值，则控制单元判断指定的读缓存块 是否为可读；若该读缓冲块可读，则将指定大小的数据从该缓存块读入输出端缓存器，然后 返回步骤310]；若该读缓冲块不可读，则返回步骤310];若输出端缓存器状态大于输出缓存阈值，则返回步骤310];B.若输入端缓存器状态小于最大输入缓存阈值，则判断输出端缓存器状态是否 小于输出缓存阈值；若输出端缓存器状态小于输出缓存阈值，则控制单元判断指定的读缓存块是否 为可读；若该读缓存块可读，则将指定大小的数据从该缓存块读入输出端缓存器，然后 返回步骤310]；若该读缓存块不可读，则判断输入端缓存器状态是否大于最小输入缓存阈值； 若输入端缓存器状态大于最小输入缓存阈值，则控制单元判断指定的写缓存块 是否为可写；若该写缓冲块可写，则将指定大小的数据从输入端缓存器写入该缓存块，然后 返回步骤310]；若该写缓冲块不可写，则返回步骤310];若输入端缓存器状态小于最小输入缓存阈值，则返回步骤310];若输出端缓存器状态大于输出缓存阈值，则判断输入端缓存器状态是否大于最 小输入缓存阈值；若输入端缓存器状态大于最小输入缓存阈值，则控制单元判断指定的写缓存块 是否为可写；若该写缓冲块可写，则将指定大小的数据从输入端缓存器写入该缓存块，然后 返回步骤310]；若该写缓冲块不可写，则返回步骤310];若输入端缓存器状态小于最小输入缓存阈值，则返回步骤310]。步骤3]中所述USB控制芯片的数据采集步骤如下步骤320]开启A通道和B通道；否则，系统处于等待状态；步骤321]若开启通道成功，则判断A和B哪个通道为空闲状态；步骤322]若A通道空闲，则第一路数据通过A通道将高速缓存模块的输出端缓存器中的 数据写入到A通道缓存器(FIFOl)，并且一次性读写256个16bit数据；若B通道空闲，则第二路数据通过B通道将高速缓存中的数据写入到B通道缓 存器(FIF02)中，并且一次性读写256个16bit数据；步骤323]若可以关闭A和B通道，则返回步骤320]；否则，返回步骤322]。步骤3]中所述处理单元控制计算机进行数据采集步骤如下步骤330]处理单元判断计算机内存中指定的写缓存块是否为可写；步骤331]若该写缓冲块可写，则将指定大小的数据从A通道缓存器(FIFOl)或B通道缓 存器(FIF02)写入该缓存块，然后返回步骤330]；若该写缓冲块不可写，则判断计算机内存中指定的读缓存块是否为可读；若该读缓冲块可读，则将指定大小的数据从计算机内存读入到磁盘阵列，然后 返回步骤320]；若该读缓冲块不可读，则返回步骤330]。以上步骤中指定大小的数据是指不大于一个缓存块空间大小的数据。η值取16或32; m值取16或32 ； m值与η值可相同也可不相同。本专利技术的技术效果为1、采集速度快，系统实时性好，传输可靠性高，并具有使用体积小，便于携 带，工作性能稳定等优点。该方案同样也适用于其它实时性要求比较高的数据采集系 统。可满足不同带宽下的实际需求。例如高分辨率成像光谱仪本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＵＳＢ的数据实时采集和存储系统，其特征在于：包括与成像仪相连接的数据采集装置和计算机，所述数据采集装置用于实现数字图像数据到计算机的高速数据采集和传输，包含四个接口模块、四个高速缓存模块以及两个数据发送模块，所述四个接口模块、四个高速缓存模块以及两个数据发送模块可构成四路独立的数据传输通道；所述接口模块可实现成像仪和高速缓存模块间的电平转换和接口转换；所述高速缓存模块可实现数据的实时采集和缓存，包含输入端缓存器、输出端缓存器、ＳＲＡＭ以及用以实现输入端缓存器、输出端缓存器和ＳＲＡＭ之间协调工作的控制单元；其中输入端缓存器的输入端与相应的接口模块相连，此输入端缓存器的输出端与ＳＲＡＭ的输入端相连；ＳＲＡＭ的输出端与输出端缓存器的输入端相连；所述输入端缓存器、输出端缓存器分别为高速同步先进先出缓存器；所述数据发送模块可实现四个高速缓存模块与计算机的通信，包括ＵＳＢ控制芯片和ＵＳＢ连接器，其中ＵＳＢ控制芯片包括８０５１单片机、串行接口引擎ＳＩＥ、通道控制缓存器（ＦＩＦ００）、Ａ通道缓存器（ＦＩＦ０１）和Ｂ通道缓存器（ＦＩＦ０２），其中８０５１单片机用于对通道控制缓存器（ＦＩＦ００）、Ａ通道缓存器（ＦＩＦ０１）和Ｂ通道缓存器（ＦＩＦ０２）进行配置，串行接口引擎ＳＩＥ用于对输入数据进行译码、编码、错误纠正和位填充并变换为ＵＳＢ所需的电平；其中通道控制缓存器（ＦＩＦ００）用于控制Ａ通道缓存器（ＦＩＦ０１）和Ｂ通道缓存器（ＦＩＦ０２）是否接收数据，Ａ通道缓存器（ＦＩＦ０１）和Ｂ通道缓存器（ＦＩＦ０２）用于分别发送一个高速缓存模块的数据，其输入端与相应的高速缓存模块中的输出端缓存器的输出端相连，其输出端分别与串行接口引擎ＳＩＥ相连，所述串行接口引擎ＳＩＥ与ＵＳＢ连接器相连，ＵＳＢ连接器通过ＵＳＢ电缆与计算机相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡炳樑，呼媛，刘学斌，陈小来，于涛，段晓峰，王爽，马亮，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]