时间域电磁法系统中USB技术的应用研究

杨 勣

摘要 时间域电磁方法是目前先进的近地探测的方法之一,已广泛的应用于矿藏勘探、航空和海洋及近地矿井等勘探领域。对比目前国内外同类仪器的探测性能,国内基于时间域的电磁系统主要存在电磁兼容性差、通信技术相对落后(速度慢)、功率小、运行稳定性及可靠性较差等问题。本文选取了用于该系统的USB数据传输技术的应用为研究重点,从USB技术的传输结构出发设计了一种应用于时间域电磁法系统中的高速USB通讯体系。通过仿真实验分析证明该体系基本满足了系统高速数据传输的需要。

关键词 时间域电磁法;上位机通讯;USB技术;传输结构

中图分类号 TH763 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2009)07-0080-02

0 引言

近年来,基于时间域电磁法技术在国内外迅速发展,可以解决的地质问题范围不断扩大,目前几乎涉足了地球物理勘探的各个领域,包括空中和海洋甚至是浅层地表的矿井渗水等领域,并且取得了显著的效果,已经成为不可缺少的地球物理勘探方法之一[1],但高速通讯技术一直都是该技术发展过程中的一个瓶颈问题。USB技术作为当前计算机外设的普遍采用的接口方式,其具有高速、即插即用、热插拔、扩展方便等独特的优越性且具有较高的传输速度(USB 协议1.1支持的最高传输速度为12Mbps,而USB协议2.0支持的最高传输速度更是高达480Mbps),支持即插即用和热插拔功能,USB设备的连接电缆最长可达5m,且可通过USB集线器进行层式星形拓扑连接,因此,其非常适合作为主机和其他外设之间的通信接口。

这些问题的出现为高速USB技术的应用提供了广泛的空间。本文采用了TMS320LF2407A 作为系统的驱动DSP,其片内外设的串行通信接口SCI模块是一个标准的通用异步接收/发送(UART)可编程串行通信接口。SCI支持CPU与其他使用标准不归零格式(NRZ)的异步外设之间的数字通信。整个接口电路简单、可靠性高。驱动DSP的数据通讯用USB技术实现,并通过对USB系统的设计实现基于时间域电磁法探测系统的高速通讯,从最后的实验结果看,我们的设计是成功而有效的。

1 USB传输技术的系统结构

USB技术是目前工业领域广泛采用的通讯技术手段之一[3]。USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)是由Intel、Microsoft、IBM及NEC等公司共同制定的微机总线接口规范,该技术的设计规范中将USB分为5个部分:控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备以及针对不同USB设备的客户驱动程序。控制器(Host Controller)主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令。控制器驱动程序(Host Controller Driver)在控制器与USB设备之间建立通信信道。USB芯片驱动程序(USB Driver)提供对USB的支持。USB设备(USB Device)包括与PC相连的USB外围设备,分为两类,一类设备本身可再接其它USB外围设备,另一类设备本身不可再连接其它外围设备,前者称为集线器(Hub),后者称为设备(Function)。或者说,集线器带有连接其它外围设备的USB端口,而设备则是连接在计算机上用来完成特定功能并符合USB规范的设备单元。

2 基于时间域电磁法系统的USB传输技术设计

在我们设计的电磁法发射系统中采用了Philips 公司的PDIUSBD12,它符合USB1.1规范;采用28脚SO或TSSOP封装;可以在3.3±0.3V 或3.6~5.5V 两种电压下工作;低功耗、符合USB电源管理的要求;内部集成SIE、320bytes的FIFO缓存、收发器;以及电压调整电路和终结电阻器;提供2Mbyte/s速率的并行接口;具有全自治本地DMA功能;芯片提供的多重中断模式有利于批量和等时数据传输模式;芯片提供了双倍的输入输出缓冲,在批量模式达到1Mbytes/s 数据传输率,同步模式也可达到1Mbits/s 数据传输率;此外它还集成了许多特性,包括Soft ConnetTM、GoodLinkTM、可编程时钟输出、低频晶振(内带 PLL 倍频电路)和终止寄存器集合。所有这些特性为系统节约了成本,同时使USB 功能在外设上的应用变的容易。

我们将编写完的程序固化到FLASHROM中,固件设计的目标就是使D12在USB上达到最大的传输速率。D12的固件要设计成完全的中断驱动。当DSP在前台执行数据处理任务时,USB的传输可在后台进行,这就确保了最佳的传输速率和采集站的流水线工作模式。后台ISR(中断服务程序)和前台主程序循环之间的数据交换通过事件标志和数据缓冲区来实现。对于D12的批量输出端点可使用循环的数据缓冲区。

3 仿真与实验结果分析

利用模拟实验验证我们设计的应用于时间域电磁法探测系统的高速USB传输系统的的性能。我们采用了基于计算机模拟和实际数据流速实验的手段对本设计进行了验证。在验证过程中对USB传输系统的传输速率、最大传输距离、误码率、稳定性以及野外复杂条件下的鲁棒性进行了测试。

从仿真实验的结果看,本文所采用的面向时间域电磁法探测系统的高速USB传输技术在应用上是成功的。从测试结果分析,USB技术的控制、中断及批量模式下的传输均能达到USB2.0的官方平均传输速率,在抗干扰方面也表现比较优异,但其在同步模式下则表现得不是很稳定。由于该系统主要用于野外作业,所以在以后的研究中要重点研究该技术在这个方面的问题。

4 结论

作为一种先进的地球物理探测方法,时间域电磁方法是目前采用的先进的近地探测的方法,并且该方法已广泛的应用于矿藏勘探、航空和海洋等领域。对比目前国内外同类仪器的发展现状,国内基于时间域的电磁系统主要存在电磁兼容性差、通信技术相对落后、功率小、运行稳定性及可靠性较差等问题。面对这个背景本文针对面向时间域电磁法探测系统的高速USB传输技术进行了研究,通过硬件设计对应用于该系统的USB进行了传输技术设计。通过对设计的仿真与实验得到了该设计的有效性结论,但在某些方面如USB同步模式下的数据传输的稳定性还有待改进。

参考文献

[1]李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社,2002.

[2]王忠.基于双AD与DSP技术的瞬变电磁法接收机的研制[D].长春:吉林大学硕士学位论文,2003.

[3]周立功.PDIUSBD12USB固件编程与驱动开发[M].北京航空航天大学出版社,2002,11.

[4]周国华.基于DSP的瞬变电磁探测系统设计与实现[D].长春:吉林大学硕士学位论文,2003.

[5]于景邨.矿井瞬变电磁法理论与应用技术研究[D].北京:中国矿业大学博士学位论文,1999.

中国科协论坛聚焦干细胞研究

“我国研究干细胞的动物模型,不能仅停留在小鼠等小动物上,如果能举全国之力试验大动物,如猪、猴子等,那我们就快成功了。”在不久前举行的第二次中国科协论坛上,同济大学校长、中国科学院院士裴刚在谈到中国干细胞研究的机遇与挑战时,着重强调了大动物试验平台的意义。

从1999年12月干细胞研究被评为世界十大科学研究之首至今,干细胞研究已走过了10年。裴刚说:“过去,干细胞研究一直比较热门,有各种原因。其一,干细胞是科学的最前沿,因为一个细胞变成很多细胞,变成个体,是怎么变的,人类永远是好奇的。其二,细胞分化以后能不能再回来?其三,如果这两种可能存在的话,有什么用?人类各种疾病是不是可以用这种方法来治疗?因此干细胞研究有非常深远的社会意义、政治意义和科学意义。”

在谈到干细胞发展战略时,裴刚强调了人才和机制的重要性,希望有创新的研究体制和长期稳定的支持,“开放性的招聘,长期稳定的择优支持,国有评估,开放流动”。

在由裴刚担任首席科学家的第二次中国科协论坛上,会聚了南开大学校长、中国科学院院士饶子和,中国科学院动物研究所所长、中国科学院院士孟安明等20多位知名学者。论坛议题为干细胞研究领域的最新进展、重大成果和发展态势分析,我国干细胞与再生医学领域未来的发展战略和相关建议等。

为发挥中国科协所属学会在推动自主创新中的作用,根据中国科协领导关于举办高端学术论坛的指示精神,从2009年起设立中国科协论坛。论坛瞄准科学发展前沿,围绕建设创新型国家的战略目标,面向国家重大战略需求,紧密跟踪高技术发展趋势,就引领未来科技发展的关键科学问题、制约经济社会发展的瓶颈技术问题、重大工程技术中的核心科学问题,组织学术交流。

“中国科协论坛强调主题前沿性、人员高端性和规模小型性,注重主题新颖,形式灵活,探讨深入。”中国科协学会学术部部长沈爱民在第二次中国科协论坛上表示,希望专家学者在已经有了一些研究成果的同时,在这个论坛上,通过深入的研讨,真正产生一些观点。中国科协希望通过设立中国科协论坛的方式,提升学术交流层次,推动学科交叉和融合,营造和谐学术环境,提高学术交流的质量和成效,促进自主创新和高层次人才成长,打造新的学术交流品牌,优化学术交流格局。