基于USB的数据采集系统的研究与设计.pdf

河北工业大学硕士学位论文基于USB的数据采集系统的研究与设计姓名：贾宝金申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：王宝珠20071101河北工业大学硕士学位论文i基于USB的数据采集系统的研究与设计摘要数据采集技术是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等，涉及模拟信号调理、模拟信号数字化、数字信号处理等，具有很强的实用性。USB技术以其支持热插拔和即插即用、占用系统资源少等特点迅速得到了广泛的应用。USB2.0凭借其480Mbps的理论传输速度，更是得到了人们的青睐。论文基于课题的研究内容，给出了一种用USB2.0总线技术解决数据采集系统接口问题的实施方案。文中首先深入研究了USB的体系结构，然后结合提出的方案，较为全面地介绍了系统的硬件和软件设计。其中硬件部分具体描述了USB2.0控制器CY7C68013和模数转换芯片MAX125的接口设计，同时也给出了各种电源转换的实现方法。在软件部分，通过分析EZ-USB的固件编程框架，阐述了CY7C68013在GPIF工作模式下的波形设计过程及其数据通信流程；驱动程序是系统硬件和客户应用程序之间通信的桥梁，文中介绍了USB的WDM功能驱动程序设计过程；最后，设计了数据采集和保存的应用程序，并对其功能做了解释。论文所设计的基于USB2.0总线技术的数据采集系统具有14位分辨率，单通道250KHz采样频率和30Mbps传输速率。系统不仅实现了数据的采集、传输和保存数据的功能，并且具有热插拔、即插即用、便携式的特点，达到了预期的效果。关键词：数据采集，USB2.0，CY7C68013，MAX125，驱动程序基于USB的数据采集系统的研究与设计iiRESEARCHANDDESIGNOFDATAACQUISITIONSYSTEMBASEDONUSBABSTRACTDataacquisitiontechnologyisasyntheticalapplicationtechnologybasedontechnologiesofsensor,signalmeasureanddisposalandcomputer,anditstudiesondataacquisition，memory,disposalandcontrol,etc.,itincludesanalogsignalsmodulation,analogsignalsdigitalization,digitalsignalprocessingandsoon,soitisgreatlyuseful.USB(UniversalSerialBus)technologyiswidelyusedbecauseoftheattributesofhot-plug-in,plus-and-play,engrossinglesssystemresource.TheUSB2.0hasbeenpaidmuchattentiondependingonthetheorytransferrateof480Mbps.Basedontheresearch,thesolutiontothedataacquisitionsystemwasputforwardwiththeUSB2.0technologyinthepaper.Withtheanalysisonthesubject,thearchitectureoftheUSBwasdeeplyanalyzedfirstly,andaccordingtotheschemeofthedataacquisitionsystem,thedetailedhardwareandsoftwaredesignwasintroduced.Inthehardwaresection,theinterfacebetweentheCY7C68013’GPIF(GeneralProgrammableInterface)andtheA/Dconverterwasintroduced,andthevariousDC-DCcircuitwereembodied.Inthesoftwaresection,the“wavedescriptor”andthewholecommunicationprocessofCY7C68013intheGPIFmastermodewereexpounded;andthetestingresultofthefirmwarewaslistedattheendofthefirmwarepart;Functiondriveristhebridgebetweenhardwareandhostsoftware,andthedesignprocessoftheWDM(WindowsDriverMode)driverfortheUSBwasintroducedhere;Finallytheapplicationsoftwareusedtoexhibitthecurvesandsavedatawasdesigned,andthefunctionsofthesoftwarewerealsoexplained.ThedataacquisitionsystembasedontheUSB2.0technologyhas14-bitsresolution,singlechannelsamplerateis250KHZ,andthetransformrateis30Mbps.Thesystemnotonlyachieves河北工业大学硕士学位论文iiithedataacquisition,transformingandmemory,butalsohastheattributesofhot-plug-in,plus-and-play,andman-pack.Theexpectresultisachieved.Keywords:Dataacquisition,USB2.0,CY7C68013,MAX125,Driver河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1课题背景和研究意义在工业生产和科学研究等行业中，常常需要利用PC或工控机对各种数据进行采集处理，如液位、温度和压力等。数据采集系统主要完成数据信息的采集、A/D转换，然后通过PC接口总线将处理后的数据送入计算机作进一步处理。目前，以这样的系统为核心的设备在国内外得到了广泛的应用，比如工业控制中现场数据的采集设备；生物医学方面的电生理信号的采集系统；机场、商场等人流量大或比较重要的场所安装的监控设备；家庭影院、视频会议、可视电话等多媒体设备。数据采集卡同计算机外设一样，与主机的通讯接口一般是基于PC上的RS-232总线、ISA总线、PCI总线或EPP/ECP等[1]。PCI总线虽然具有较高的传输速度（132Mbps），并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，而且由于PC机扩展槽一般为5～6个，因此最多也只能有5～6个PCI数据采集卡同时用在一台微机上；并且PCI插槽占用主板相当大的空间，这也不利于微机系统的小型化。对于ISA总线也存在同样的问题。RS－232C串行总线虽然连结简单，但其传输速度慢（只有56Kbps），并且主机的串口数目也十分有限。总之，采用这些传统接口的数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦；价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差[2]；在一些电磁干扰性强的测试现场，可能无法专门对其作电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真。随着通用串行总线USB的出现，很好的解决了以上这些问题。采用USB总线接口的采集系统具备了如下优点：1.设备安装和配置容易。USB设备支持即插即用，安装USB设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备，完全不用关闭计算机。2.接口数目多，每个USB主机通过USB集线器，可以同时挂接最多127个外围设备，有效地解决了多点数据采集系统I/O口不够用的问题。3.数据传输速度比一般的串行总线(如RS232，RS485等)快，USB1.1标准的接口最快可以达到12Mbps，可以满足绝大多数多点数据采集系统的要求。在PC主机和采集系统都具备支持USB2.0标准的接口芯片时，最快可以达到480Mbps，可以满足高速数据采集系统的要求。4.设备能够直接由USB总线进行供电。因此研究设计一种基于USB2.0接口技术的数据采集系统具有十分重要的实用价值。§1-2USB的发展USB（UniversalSerialBus，通用串行总线）作为一种新的外设连接技术，最初是由Compag，DEC，IBM，Intel，Microsoft，NEC和NorthernTelecom等七大业内巨头共同开发的。该技术着眼于简化计算机基于USB的数据采集系统的研究与设计2与外设的连接过程，顾及低速和高速的兼容；从而解决串行设备和并行设备与计算机相连的争论，为用户提供一种可共享的、可扩充的、使用方便的串行总线[3]。随着PC机向各层次的发展与渗透，外围设备与PC的连接与扩充变得越来越重要。1994年，Microsoft公司提出PnP（PlusandPlay，即插即用）方案，旨在把PC外设和扩充电路板连接起来，实现系统对中断和端口等资源的自动分配，而无需用户的干预。1996年，Compag，Intel和Microsoft三家厂商提出DeviceBay(设备插架)概念，其目的是实现热插拨和高度的扩充性。USB最初推出的是1.X版本，其总线传输速度较低，有12Mbps（全速）和1.5Mbps（低速）两种。目前，它主要应用于传统PC外设，如鼠标、键盘、显示器等，移动存储设备如移动硬盘、U盘等，以及新兴的消费类电子，如MP3播放器、数码相机、移动电话等。USB2.0于2000年4月发表，是一种高速模式的版本，它把数据传输速度提高到了480Mbps，在保持了USB1.1优点的前提下，保证了向下的兼容性，可以完全支持各种USB1.1的产品[4]。不过，如果要使用高速传输，则必须使用与USB2.0兼容的主机软件与主机控制器，也就是说在主机的操作系统Windows2000/XP中安装USB2.0补丁程序，另外还要安装支持USB2.0的主机控制器或者PCI接口USB2.0的扩展卡。USB设备的迅速增加，设备与设备之间的直接数据传输变得越来越迫切，USBOTG(On-The-Go)技术应运而生[5，6，7]，它于2001年12月底制定，赋予了设备双重身份。也就是说它既可以作为主机，又可以作为设备，其实质是在设备中增加了一个嵌入式计算机来执行主机任务。这一技术使USB设备摆脱了对PC的依赖，大大扩展了USB的应用范围。§1-3国内外研究和应用现状国外企业己经推出了很多能适应不同条件，不同精度要求等情况的USB数据采集系列产品。典型的是美国国家仪器有限公司（NationalInstruments，NI）研制的一系列USB数据采集卡，NI公司于2006年6月份推出了两款最新USB2.0总线的M系列数据采集设备，实现了高达1.25Mb/s的采样率。这些新设备不但为现有USB兼容的数据采集设备提供最高速率的数据采集功能，同时也以功能强大的测量服务软件简化了系统设置和程序设计的工作。新推出的USB2.0高速设备包含免费的交互式数据记录软件，以供分析之用。但是NI公司的USB数据采集卡系列产品的价格都很昂贵。近年来国内有很多公司像北京中泰研创科技有限公司，成都中科动态仪器有限公司等都相继推出了USB数据采集卡，而这些产品多是基于USBI.1协议规范，其数据传输速度远低于基于USB2.0协议规范的数据采集卡，因此也制约了这些产品的采集速度。目前国内对USB接口开发应用的广度和深度还远远不如传统的串行口、并行口以及各种总线插卡，其应用主要是局限于开发一些标准的微机外围设备，如U盘、鼠标、键盘等。这主要是由于作为一个新技术和新标准，USB规范较为复杂，应用开发人员还不是很了解，相应的技术支持和参考设计资源比较少，要把USB接口作为微机的一个通用I/O