硕士论文_基于usb的便携式数据采集系统设计(编辑修改稿)

硕士论文_基于usb的便携式数据采集系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

..............................................64 符录电路原理图 .............................................................................................................................65 绪论 1 1 绪论 研究背景与意义 数据采集系统是指对各种传感器输出的模拟信号进行采集，通过 AD转换器将模拟信号转换成数字 信号，然后把数字信号送入计算机进行处理，并按需要的形式输出处理结果的系统。 伴随着科学技术飞速 的 发展，数据采集系统作为获取信息的重要途径以及探索科学奥秘的重要手段已广泛应用于各个领域。 目前常用的数据采集方式主要是将基于 ISA或 PCI的数据采集板卡安装在工业控制机或者 PC机内。 但是这种数据采集方式有很多的缺陷： (1)插拔 困难 、安装复杂、价格比较贵 ， 并且计算机的插槽数量、地址、中断资源 也 限制了 采集卡的 扩展性； (2)数据采集卡被安装在工业控制机或者 PC机内部，不便于携带 ，因此 无法进行野外现场的数据采集 【 1】。 通 用串行总线 (Universal Serial Bus) USB作为目前最重要的计算机外设互联接口，它具有即插即用、传输速率高、且易于扩展的优点。 并且，在一般情况下 USB主机上可以提供稳定的 5V电压，这样 USB外部设备可以通过相应电缆获得主机提供的电压。 具有 USB接口的 数据采集卡就 可以通过 USB电缆获得 稳定可靠的工作电源。 USB作为新型的接口 更容易满足复杂、灵活的设计和电路的微型化的要求。 因此 ， USB总线代替传统的 ISA或 PCI总线用于数据采集系统，可以满足人们对数据采集系统的便捷性、高速性、扩展性和通用性的 要求。 国内外研究现状与趋势 计算机具有良好的扩展性，依赖于其具备的多种通信接口。 RS23并行接口、 PCI等老式计算机接口存在规范不统一、体积庞大、可扩展性差、不支持热插拔等缺陷。 随着技术的发展和计算机应用的需要，老式接口的缺陷越来越制约计算机的使用。 因此， USB作为一种新的计算机接口应运而生。 IBM、 Microsoft等 7家公司在 1994年 11月时就共同提出了 USB规范。 但在随后的几年时间里， ，直到 20xx年底才尘埃落定。 这时候的 ，其 最高传输速率可以达到 480Mbps【 2】。 直到 20xx年 11月 26日， USB促进委员会才正式宣布新一代 ， ，相比较 ，可谓是向前迈了一大步。 如今随着集成电路的飞速发展和 USB设备开发的进步，各种集成 有 USB控制器的芯片相继问世。 这些产品中大都集成了功能强大的处理器，显然提高了数据传输的稳定性和传输速度，同时在一定程度上降低了开发难度。 到目前为止，基于 USB接口的产品种类繁多，西安理工大学硕士学位论文 2 从低运行速度的鼠标、键盘到 全速 的 MP移动硬盘、数码相机以及高速的数据采集卡等。 我们注意到 USB接口因其即插即用、 可 兼容性以及可扩展性等优点得到了极其广泛的应用，它己经成功的应用到了信息产业、家电产业和网络产业 等， 特别 是 在数据采集方面的应用尤为突出。 当下，许多能够适应不同传输速率，不同深广度要求的 USB数据采集系列产品已经琳琅满目。 NI公司研制的一系列 USB数据采集卡可以说是其中的代表，但是 NI公司的 USB数据采集卡产品的价格普遍偏高，因此对于国内的大多数用户来说显然无法承受这样昂贵的价格。 相比于国外，国内对 USB数据采集产品的研发相对落 后，但总体来看，现在国内的一些厂家对 USB接口的数据采集产品的开发和研制已经取得了一定的成果，其研究产品的种类也越来越繁多，但是范围和研发的深度存在着不小的差距，主要表现在下面的几个方面：采用 ，而采用 ；采集系统功能过于简单，同时在采集速率、精度以及分辨率上和国外还存在相当大的差距。 现阶段随着 USB协议的不断完善，对比其他采集系统， USB数据采集系统接口的性能会有其他产品无法媲美的优势，它会得到越来越广泛的应用。 所以说对 USB数据采集系统做更为深入的开发也显得尤为重 要。 本文研究的主要内容 本文在分析 USB总线的体系结构和特点基础上，确定了一种基于 USB的便携式数据采集系统的方案。 在该方案中，系统选用 FPGA作为硬件电路的主控制器。 对于输入的模拟信号，经模数转换后，在 FPGA的控制下传输给 USB，然后再通过 USB控制接口将数字信号传输到上位机。 用户可以通过上位机界面程序实现数据的读取、存储以及采集控制等功能。 本文研究的主要内容有： ① 分析了 USB总线特点、系统的组成结构 以及开发流程 等； ② 设计了数据采集系统的硬件电路，同时完成了模数转换器和 FPGA的连接， FPGA与 USB的连接，以及 FPGA外围电路的设计；在要求各个元器件对电源电压的相适应的条件下，设计提供了相匹配的电源系统；完成了系统原理图设计和 PCB图的绘制； ③ 利用硬件描述语言 VerilogHDL，编写了基于 FPGA内部逻辑控制模块，完成了对 AD采样的控制，以及对 USB数据传输的控制； ④ 分析了 USB接口电路的固件程序开发步骤，并用 C51语言开发了 USB接口设备的固件程序，实现了 USB在 Slave FIFO模式下进行数据传输的功能； ⑤ 编写了上位机的应用程序，完成了数据的读取与显示； ⑥ 最后结合硬件和软 件对整个系统进行了最终测试，并给出了测试大量有益结果与分析。 系统总体设计 3 2 USB 简介 USB 总线的特点 USB 是英文 Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，用来统一电脑与外部设备的连接和通讯，是一种新的计算机接口技术。 USB 总线接口与传统的计算机接口相比，具有以下明显的优点： ① 接口体积小巧，具有很相当大的体积优势 ， 在目前计算机和集成化的趋势中，得到了广泛的应用； ② 能够适应低速、全速和高速的传输速率操作； ③ 为适应不同外部设备对于 不同 功能 的 需要，它提供了 4 种不同类型的传输； ④ 即 插即用是它基本功能之一 ， 对于 USB 设备来说，只要安装了与之适应的驱动程序，它就可以工作； ⑤ USB 接口具有外部供电能力 ， 计算机上的 USB 接口最大可以输出 500mA 的电流，5V 的电压，满足大多数微处理系统对电源的要求； ⑥ 具有良好的兼容性 ， 随着技术的发展， USB 规范包括 、 、 ，以及无线 USB 和 USBOTG 等多个版本，并且 USB 规范都具有良好的向下兼容性； ⑦ 性价比高 ， 目前，随着技术的发展和 USB 设备的普及， USB 的芯片以及 USB 电缆的价格都已十分低廉， USB 接口的性价比日益提 高。 USB 总线结构 USB 主机、 USB 设备和 USB 电缆组成一个简单的 USB 应用系统，如图 21 所示。 USB 系统中最重要的就是 USB 主机和 USB 设备。 总体来说，用户的特定功能是由 USB设备完成而 USB 协议的处理 则 是由 USB 主机负责的。 对于 USB 主机与其设备之间的通信，包含上行通信和下行通信。 前者主要用于 USB 设备 向 USB 主机 传输数据 ，后者则主要用于 USB 主机向 USB 设备传输数据。 西安理工大学硕士学位论文 4 U S B 设 备U S B 主机上行通信下行通信 图 21 简单的 USB系统 Figure21 Simple USB system （ 1） USB 主机 广义上讲，具有 USB 端口的计算机以及其他具有 USB 主控芯片的设备都可以称为USB 主机。 USB 主机在整个数据通信过程中有着相当重要的地位，它控制着数据的启动和命令的传输，而 USB 设备只有被动的响应 USB 主机请求。 USB 系统中不能有多个 USB主机同时存在，如果 有多个主机 就会引起 系统 混乱。 鉴于此种情况 USB 协议明确规定：USB 系统中只能有一个 USB 主机存在。 （ 2） USB 设备 伴随着 USB 接口的飞速发展， USB 设备种类越来越丰富，主要包括 USB 功能设备和 USB 集线器两种类 型。 ① USB 功能设备一般是一个独立的外部设备，例如有用于扩展USB 主机功能的 USB 鼠标，以及用来进行数据传输的移动硬盘或者 USB 数据采集系统等。 USB 功能设备连接到 USB 主机后，主机需对其进行配置设置， 这 样 USB 功能设备才可以使用。 ② USB 集线器的功能主要是提供额外的连接点给 USB 主机系统，从而扩展USB 主机的端口，那样的话使一个 USB 端口可以扩展连接多个设备。 USB 设备与其主机的连接主要包括 USB主机与集线器的上行端口连接以及 USB设备与集线器的下行端口连接。 同时我们必须注意到 USB 集线器的级联是有限制的 ，它最多可以级联 5 级。 （ 3） USB 的连接 USB 连接器有两种： A 型和 B 型， A 型插座与 A 型插头匹配 ， B 型插座与 B 型插头匹配。 A 型插座主要用在 USB 主机或者 USB 集线器下行端口，而对 B 型插座来讲，它则 主要用在 USB 设备或集线器的上行端口。 当然无论 A 型还是 B 型的 USB 接头，它们均有 4 根引线： VCC、 GND、 D+ 、 D，分别对应 USB 电缆的 4 根导线。 USB 主机通过VCC 和 GND 这两个引线向 USB 设备供电；通过 D+ 、 D 差分数据线向 USB 设备传输数据。 典型 USB 接头如图 22 所示。 系统总体设计 5 图 22 USB接头 Figure22 USB connector USB 电缆将 USB 主机、 USB 集线器以及 USB 设备连接起来，形成一个完整的 USB系统。 但是，对于 USB 的不同传输模式会用到不同特性的电缆。 USB 设备的开发流程 USB 设备的开发流程简单介绍如下： （ 1）分析功能。 主要分析 USB 设备需要实现的所有功能，以及每个功能采用的实现方式、数据传输类型和速率、所需要的硬件资源等。 （ 2）选择 USB 接口芯片。 在明确了 USB 设备的功能要求后，我们就要选择一款合适的 USB 接口芯片。 需要强调的是选择芯片需要考虑很多因素 ，比如芯片内部资源、芯片管脚数目、芯片封装形式、兼容性，同时价格也是必须考虑的。 （ 3） USB 软硬件开发。 在选择了合适的芯片后，我们就可以进行软硬件开发了。 软件开发则主要包括设计 USB 芯片固件程序、驱动程序和用户界面程序等；而硬件开发主要包括设备功能组件、硬件接口、资源分配等。 （ 4）设备综合调试。 当 USB 设备的主要功能设计完成了，但为了完整和完善设备的整体功能，还需要对整个软硬件系统进行综合调试。 西安理工大学硕士学位论文 6 系统总体设计 7 3 系统总体设计 系统的性能指标 输入通道：单通道 ； 测量对象：工业现场各类传感 器的输出电压 ； 电压范围： ～ ； 频率范围： 1Hz～ 400KHz； 采样分辨力： 8位； 最大采样速率： 2MSPS； 数据传输接口： ； FPGA缓存深度： 1024，位宽 8bits； 系统电源：模拟电压 +5V、 、 5V数字电压； 用户程序：要能读取 USB的配置描述符，采集的控制以及数据的显示、存储等功能； 供电方式： USB接口供电或外接电源可选，供电电压为 +； “便携式 ”应是本系统的最大特色，特别是在数据采集系统的硬件设计时应充分考虑集成度、体积、功耗等问题。 系统方案的确定 基于 USB接口的数据采集系统典型框架如图 31所示。 A D 转 换芯 片控 制 器U S B 接 口芯 片P C 机模 拟输 入U S B电 缆 图 31 USB数据采集系统典型框架 Figure31 typical framework of the USB data acquisition system 现有的数据采集卡常用单片机或 DSP作为控制器。 单片机的时钟频率比较低，需要软件支持来实现其功能，然而软件的运行时间比较长，就会成为采样速率的一个阻碍。 相比而言采用 DSP作为控制器的采集卡 其 运算速度较快而且擅长处理密集的乘加运算，但是它很难完成对外围复杂硬件进行逻辑控制。 既然采用单片机或 DSP作为控制器的数据采集卡有很大的缺陷，那么就应该寻找速度更快，能更好的对外围硬件进行逻辑控制的控制器。 FPGA作为新一代的控制器就能很好的弥补传统控制器的缺陷。 FPGA不仅可以使电子系统小型化、低功耗、高稳定性，还能让开发周期缩短、电路板面积缩小、开发软件投入少、成本 不断降低等 【 45】。 正是因为 FPGA具有很多优点，所以促使 FPGA越来越多的取代其他西安理工大学硕士学位论文 8 专用集成电路市场。 因此本文中选用 FPGA作为数据采集系统的控制器，它可以代替许多传统的逻辑电路，也可使系统设计简。