基于USB串口通信数据采集技术的实施
基于USB的数据采集系统的设计和实现
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基于USB的数据采集系统设计及实现
基于USB的数据采集系统设计及实现基于USB的数据采集系统设计及实现1 引言在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题，常常需要将外部的温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集。
目前常用的数据采集方式是通过数据采集板卡，常用的有ISA总线，PCI总线，422，485等接口形式的A／D采集卡，这种板卡不仅安装麻烦，而且易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制。
通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）的出现，很好地解决了以上问题。
本文所设计的就是基于USB总线的快速12 b 的数据采集系统。
2 USB总线简介USB总线是Intel，DEC，Microsoft，IBM等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范，是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。
USB具有较高的传输速度：USB协议1．1支持低速（1．5 Mb ／s）和全速（12 Mb／s）2种传输模式，而2．0协议支持的速度提高到480 Mb／s。
他的数据传输速度比标准串／并口高，且具有使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点。
USB接口采用4线电缆，其中2根信号线，1根电源线和1根地线，电源线可以向外设提供最大5 V，500 mA的电流。
USB接口有4种传输方式：控制传输、批量传输、终端传输和同步传输，可以满足不同传输的需要。
3 USB接口的数据采集系统的设计实现整个系统主要由4部分组成：USB接口芯片及外围电路、控制电路、数据缓冲电路和A／D转换电路。
USB接口芯片选择了Cypress公司的EZ-USB 2131Q，该芯片内嵌8051控制器，因此整个系统以EZ-USB控制器为核心，由EZ-USB经控制电路实现对A／D转换电路和数据缓冲电路的控制，模拟信号转换后的数据送入数据缓冲器，当数据缓冲器存满之后，通知EZ-USB控制器，由主机取出数据。
整个系统框图。
基于USB的数据采集系统的设计与实现--总结
基于USB的数据采集系统的设计与实现USB总线拓扑结构一个USB体系由USB主机、USB集线器和USB功能设备组成。
在一个USB系统中只可能有一个USB主机，相对计算机主机系统而言，USB主机也被称为USB主机控制器。
USB主机控制器是硬件、软件的综合体。
USB主机控制器同时包含一个根集线器，根集线器是一个USB系统的最初连接点，用以提供向下的更多的连接点。
USB的通信协议USB的协议层描述了USB主机与USB外设交互的语法和协议，从中定义了字段、包、事务和传送的结构。
协议同时还规范了数据链路的建立、正常或异常传送处理的动态过程。
信息包包(Packet)是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。
USB包由五部分组成，即同步字段(sYNC)、包标识符字段(PID)、数据字段、循环冗余校验字段(CRC)和包结尾字段(EOP)。
常用的几种包格式1.起始(SOF)封包起始封包属于令牌封包的一种，但具有独自的PID类型名:SOF。
这个封包常用于等时传输，并不应用于低速设备。
2.令牌(Token)封包令牌封包由于USB的数据交换是由PC主机端所激活的，所以在每一个数据交换中必须以SYNC、PID、ADDR、ENDP与CRCS这5个数据域组合而成的令牌封包为起始。
3.数据(Data)封包数据封包含有4个域:SYNC、PID、DATA与CRC16。
DAI…A数据域的位值是根据USB设备的传输速度及传输类型而定，且须以8字节为基本单位。
也就是，若传输的数据不足8字节，或传输到最后所剩余的也不足8字节，仍须传输8字节的数据域。
4.握手(Handshake)封包握手封包仅包含SYNC和一个PID数据域。
事务处理事务处理是USB总线上数据传输的基本单位，主机和USB设备间的一次通信可能需要使用多个事务处理。
事务处理由三个阶段组成:令牌阶段、数据阶段和握手阶段，其中，数据阶段和握手阶段是可选的。
基于USB串口通信数据采集技术的实施
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需要改变通道或频率或 清 Q;QF 后再采集 _ =
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数据采集功能实现的演示界面
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结束语 从软件上系统地介 绍 了 @AB 串 口 通 信 技 术 在 速 度 跟 踪 系
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仪 表 技 术 与 传 感 器
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基于 !"# 串口通信数据采集技术的实施
马敬东， 陈明方
（沈阳职业技术学院， 辽宁沈阳 $$%%&’）
摘要： 速度快及连接灵活和独立供电等特点， 已得到了越来越广泛的应 ’() 通用串行总线通信技术由于其使用方便、 用， 文中以速度跟踪系统中的数据采集作为实例将其引入工程应用中。简述 了 ’() 串 口 通 信 的 特 点， 介 绍 了 ’() 设 备 管 理与数据采集的相关函数。重点详细地介绍了数据采集的工作流程， 并以具体实例从软件的角度演示了数据采 集 的 全 过 程。 关键词： 数据采集； 设备对象； 协议 ’() 串口通信； 中图分类号： *+!,& - ! 文献标识码： . 文章编号： （!"",） %""! $ %/&% "! $ ""#/ $ "!
基于USB接口的数据采集系统的实现4
[收稿日期]2006-06-20[作者简介]刘永刚(1975~),男,内蒙古高速公路局,助理工程师;孙宇清(1975~),男,内蒙古广播电视大学,讲师。
基于U SB 接口的数据采集系统的实现刘永刚1孙宇清2(1.内蒙古高速公路局,内蒙古呼和浩特010010;2.内蒙古广播电视大学,内蒙古呼和浩特010011) [摘 要]数据采集系统在工业测控以及试验室研究方面的应用非常广泛,随着科学技术的发展,数据采集系统正向着高精度、高速度、稳定可靠和集成化的方向发展。
我们设计了以AT 89C52为控制核心的数据采集系统,通过模拟开关,放大器,A/D 转换器,单片机及其外围设备 键盘、显示器、数据存储器的连接来实现对多路电压数据的采集及显示。
[关键词]通用串行总线 模拟开关 数据采集 A/D 转换器 LED[中图分类号]T P 334[文献标识码]A [文章编号]1672-3473(2007)04-0062-03一、设计目的和意义数据采集系统在工业测控以及试验室研究方面的应用非常广泛,随着科学技术的发展,数据采集系统正向高精度、高速度、稳定可靠和集成化的方向发展。
采用微型机进行数据检测、数字显示、信息存储及实时控制,对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要作用。
随着现代电子技术、微电子技术及通信技术的发展,在各种可用数据中,电压数据最便于处理、传输、显示和记录。
为此我们设计了以AT89C52单片机进行控制的多路电压数据采集系统。
该系统使用多路电子模拟开关代替以前使用的机械触点式转换开关来切换数据,解决了触点接触不良的问题。
在AT89C52的控制下,电压数据的采集过程完全是自动进行的,工作状态的转换操作也非常简单,采集结果可以用LED 显示器显示。
二、方案设计1.设计内容本数据采集系统采用单片机控制技术,实现对多路电压数据的采集。
测量的通道、电压数据可通过L ED 实时显示,E EPROM 存储,本机键盘查询。
基于USB接口的数据采集系统的设计与实现o
图中 FPGA 采 用 ALTERA 公司 生 产 的 APEX
1k
系列芯片, 型号为 EP1K30, 通过在 FPGA 中编写硬件逻 辑控制 A/ D 转换器的运行; 实现 A/ D 转换器和 USB 控 制芯片间数据传 输的数 据总线 接口。除 此之 外, 为了 保证 FPGA 和 USB 控 制芯 片间 数据 交互过 程的 实现, 必须在 FPGA 中提供一个用于 传输通 信双方控 制和状 态信息的 GPIO 接口。
图 1 系统结构图
阵 列块, 可实现最 大为 3k 字节 的 RAM 存 储器。
19
自动化仪表!第 25 卷第 9 期 2004 年 9 月
3 系统的设计与实现
3. 1 USB 接口芯片介绍 在设计中, 我们选取 Cyprees 公司的 EZ- USB 系列芯 片来实现 USB 接口设备方的控制。它是一款带有多个外 设、 高度集成的芯片, 其功能框图如图 2 所示。一个集成 的 USB 收发器 ( transceiver) 连 接 USB 总线 的D+ 和 D- 。 串行接口引擎( SIE) 对总线上的数据进行编/ 解码、 错误 检测、 位填充以及 USB 规范规定的其它信号级操作的实 现, 并且最终把数据收或发到 USB 接口部分。
图 4 FPGA 自动配置示意图
20
PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol. 25, No. 9, Sep. , 2004
基于 USB 接口的数据采集系统的设计与实现 AN2135SC 的 I/ O 端口 的定 义以 及 配置 命令 见参 考文献
[ 5] [ 3]
2
本系统中对 FPGA 的配置采 用 PS( passive serial, 即 被动串行) 方式。通常采用的是以下两种配置方法: 配 置数据来自于 ALTERA 公司生产的串行配 置器件或系 统控制器, 如 EPC16、 EPC1 、 EPC2 和 EPC1441 等, 系 统上电 时可对 ACEX1K 系列 芯片 进行配 置; 配 置逻 辑也 可以 通 过 ALTERA 公司生产的 Master Blaster、 Byte Blaster MV 或 Bitblaster 下载电缆进行手工下载。但是前者会增加 系统的成本, 而后者又很不方便。 本系统 中采 用 一种 比 较 独特 的 PS 方 式 对 FPGA 进行 配 置: 将 FPGA 的 5 个 配 置 管 脚 DCLK 、 CONF DONE、 nCONFIG 、 nSTATUS、 DATA0 分 别 与 USB 控制 器 的 5 个 I/ O 管脚 USB PA4 、 USB PA5 、 USB PC3 、 USB PC4、 USB PC5 经过三态 缓冲器 缓冲后相 连; 然 后在软 件( 驱动程序) 编程中通 过设置 AN2135SC 芯片 内与这 5 个 I/ O 管脚相关联的 I/ O 口寄存器 PORTACFG 、 OEA 、 PORTCCFG 、 OEC 来实现 FPGA 上电时通过 PS 方式的自 动配置的( 配置文 件采用 二进制 格式, 如 rbf 格 式等) , 如图 4 所示。
基于usb接口的数据采集系统
基于USB接口的数据采集系统[摘要] 基于对串口通讯原理的分析和应用，实现了单片机与计算机通过USB接口进行通信。
设计主要是使用单片机进行数据采集，然后通过USB接口把信息传输到计算机上，实现串行通信。
在硬件设计方面，单片机使用STC89C51，USB接口芯片使用PDIUSBD12，他们通过硬件电路的设计实现连接；在软件设计方面，PC机使用VB语言编程实现界面设计，C++设计驱动程序。
单片机方面使用Keil软件编程实现数据的采集。
[关键词] PC ;单片;USB接;串行通信Data acquisition system based on USB interfaceAbstract: Analysis and application of serial communication based on the principle of the realization ofsingle-chip, to communicate with the computer through the USB interface. Design is the use of single-chip microcomputer for data acquisition, and then transfers the information to the computer through the USB interface, serial communication. In the aspect of hardware design, the use of SCM STC89C51, USB interface chip PDIUSBD12, they realize the connection by hardware circuit design; in software design, PC machine using theVB programming language interface design, C++ driver design. SCM software programming using Keil to realize the data acquisition.Key words: PC;MCU;The USB Interface;Serial Communication目录1前言-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11.1 设计研究的目的--------------------------------------------------------------------------------------------------- 11.2 设计研究的主要内容 -------------------------------------------------------------------------------------------- 11.3 预期结果 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 12 USB协议------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12.1 USB系统 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 12.1.1 USB系统简介 --------------------------------------------------------------------------------------------- 12.1.2 USB传输方式 --------------------------------------------------------------------------------------------- 12.2 USB接口的电器特性--------------------------------------------------------------------------------------------- 22.3 USB总线协议------------------------------------------------------------------------------------------------------ 22.3.1 总线拓扑结构 --------------------------------------------------------------------------------------------- 22.3.2 USB的物理层 --------------------------------------------------------------------------------------------- 32.3.3 USB主机概述 --------------------------------------------------------------------------------------------- 32.3.4 USB驱动---------------------------------------------------------------------------------------------------- 43 PC与单片机通过USB通信设计-------------------------------------------------------------------------------- 43.1 设计方案 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 43.2 硬件电路的设计--------------------------------------------------------------------------------------------------- 43.2.1 温度采集电路的设计------------------------------------------------------------------------------------ 43.2.2 接口电路设计 --------------------------------------------------------------------------------------------- 53.3 软件程序设计------------------------------------------------------------------------------------------------------ 63.3.1 单片机程序的开发--------------------------------------------------------------------------------------- 63.3.2 固件设备的设计 ------------------------------------------------------------------------------------------ 63.3.3 固件程序设计 --------------------------------------------------------------------------------------------- 63.4 固件的程序流程图 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 73.4.1 主循环流程 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 73.4.2 中断程序流程图 ------------------------------------------------------------------------------------------ 73.5 USB设备驱动程序设计---------------------------------------------------------------------------------------- 93.5.1 USB驱动程序的意义---------------------------------------------------------------------------------- 93.5.2 USB驱动程序的概述------------------------------------------------------------------------------------ 9 4结束语--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 致谢 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 附录 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 121 前言1.1 设计研究的目的随着计算机领域和单片机领域的飞速发展，越来越多地的人采用单片机来制作一些工业控制系统。
基于USB总线的实时数据采集系统设计
基于USB总线的实时数据采集系统设计基于通用串行总线（USB）的实时数据采集系统的设计严格遵循USB1.1协议，充分体现USB便捷、易扩展、低成本、低干扰的特点。
详细介绍系统的USB设备驱动程序、设备固体、应用程序的具体设计。
现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。
目前比较通用的是在PC 或工控机内安装数据采集板卡，如A/D卡及422、485卡。
这些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、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。
通用串行总线（Universal Serial Bus，简称USB）是1995年康柏、微软、IBM、DEC等公司为了解决传统总线的不足推广的一种新型串行通信标准。
该总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势。
基于USB的数据采集系统充分利用USB总线的上述优点，有效解决了传统数据采集系统的缺陷。
1 系统硬件设计1.1 硬件总体结构USB实时数据采集系统硬件模块包括A/D转换器、微控制器、USB通信接口和多路模拟开关。
硬件总体结构如图1所示。
1.2 USBN9602芯片USB接口芯片采用National Semiconductor公司的一种专用芯片USBN9602。
该芯片内部集成微处理器接口、FIFO存储器、时钟发生器、串行接口引擎（SIE）、收发器、3.3V电压转换器，支持DMA、微波接口，内部结构如图2所示。
微控制器通过8位的并行接口传送A/D采集的数据，存储在FIFO存储器中；一旦FIFO存满，SIE立刻对数据进行处理，其中包括：同步模式识别、并/串转换、位填充/解填充、CRC产生与校验、地址识别、握手响应与产生、USB特殊事件（Reset、Suspend、Resume）检测；最后由收发器通过数据线（D+、D-）传送数据至PC。
上述过程严格遵守USB1.1协议。
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基于USB串口通信数据采集技术的实施
发表时间：2018-04-03T15:24:07.050Z 来源：《基层建设》2017年第35期作者：易辉
[导读] 摘要：USB串行总线通信技术由于其具备的速度快、连接灵活、使用方面和独立用电的优势特点，广泛应用于现代通信行业中。
中国船舶重工集团公司第七一〇研究所湖北宜昌 443000
摘要：USB串行总线通信技术由于其具备的速度快、连接灵活、使用方面和独立用电的优势特点，广泛应用于现代通信行业中。
基于此，对USB串口通信数据采集技术的实施进行分析，在本文中，通过以速度跟踪系统中的数据采集作为实例引入到工程应用当中，分析
USB串口的特点，简单介绍USB等设备管理及数据采集需要运用到相关函数，并且重点对USB串口通信数据采集工作流程进行阐述，从而对数据采集的全部过程进行了解。
关键词：USB串口通信；数据采集；技术；实施；分析
通过对USB串口通信技术在速度跟踪系统中的数据采集全过程，具有速度快、灵活度高、独立供电等优势特点，在现代通信行业中也得到很好的应用[1]。
在本文中，通过对USB串口通信数据采集技术的特点及相关的函数进行分析，并且对数据采集功能的实现和AD数据采集实现工作流程进行具体的阐释，从而完成对USB串口通信数据采集技术的实施的分析。
B在PC领域中的应用特点
USB作为在PC领域和移动终端领域中应用的新型接口技术，在实际中进行应用具有以下优势特点：⑴传输的速度较快，据统计，USB 接口应用平均速度可以达到12Mb/s，与串口相比较，速度高于串口的100倍，与并口相比较，也超过其10倍以上，在现如今USB的传输速度已经超过100MB/s；⑵连接灵活，在进行连接的过程中，可以是串行进行连接，也可以运用中枢转接头，同时对多个设备进行有效连接，最后与PC机的USB接口进行连接；⑶有独立供电功能，USB电源还可以与较为低压的设备提供5V或者是500MA的电源，也不再需要对新的设备提供与之相适应的交流适配器，也在一定程度上降低了这些设备的成本；⑷使用方便高效，运用USB可以实现多个设备的连接，在软件上，为USB所设计的应用软件和驱动程序也能够自行开启，不需要用户实施干预之后才可以运行[2]。
USB在现代应用的范围会不断的扩大，所有的外设也都将通过USB接口，又或者是通过其他的外部接口实现连接，同时在现代支持USB的PC端及其他的外部设备也越来越多，在软件上USB也成为Windows系统的关键部件，作为工程进行应用的USB串口通信方式应用也日益广泛。
B设备对象管理和数据采集的相关函数
USB设备对象管理及数据采集的相关函数，通常情况下，函数的调用顺序是：CreateDevice() InitDeviceAD() ReadDevicedAD() ReieaseDeviceAD() Release Device()。
其中可以对ReadDeviceAD()反复执行，以此实现高速的、持续的数据采集，如果需要在采集数据的过程中对设备状态信息进行更改，就可以通过执行ReleaseDeviceAD（），之后再执行InitDeviceAD（）运用新的状态信息重新对初始设备进行设置[3]。
具体如下表1所示：
B串口通信数据采集功能的实现
想要对USB设备中的所有功能，首先就需要用CreateDevice函数创建一个设备对象句柄hDevice，有了这一句柄，就可以对该项设备进行有效控制，并且将这一句柄作为一个函数传递给其他的函数，如：运用InitDeviceAD可以使用hDevice句柄以初始化设备的A/D部件并启动A/D设备,ReadDeviceAD函数可以用hDevice句柄实现对A/D数据的采样批量读取,最后可以通过ReleaseDevice将hDevice释放掉[4]。
有了hDevice设备对象句柄后,便可用InitDeviceAD函数初始化A/D部件。
关于采样通道、频率等的参数的设置是由这个函数的pADPara 参数结构体决定的,只需要对这个pADPara参数结构体的各个成员简单赋值即可实现所有硬件参数和设备状态的初始化。
然后这个函数启动A/D设备,接着便可用ReadDeviceAD反复读取A/D数据以实现连续不间断采样,如果需要关闭A/D设备时,ReleaseDeviceAD便可实现(但设备对象hDevice依然存在)[4]。
具体的采集流程主要是，在自检时经滤波电路给采集卡输入电压为1.8 V,频率为5 kHz的三角波振荡信号,经过转换后的电压值以数字显示和图形显示2种模式演示。
首先创建设备对象（CreateDeviceAD）初始化和启动A/D（InitDeviceAD）用户对采集到的A/D数据进行处理其代码应用由用户需要进行编写需要再次读取的A/D数据实现连续采集释放和禁止A/D设备（ReleaseDeviceAD）需要改变通道、频率、或者是清FIFO后再进行采集释放设备对象（ReleaseDevice）终止。
结语：从软件上系统地介绍了USB串口通信技术，在速度跟踪系统中的数据采集的全过程。
USB接口接头温度过高或者升高温度较快，也与设计的金属材料，绝缘强度和母线形状有关，以光纤作为温度传感器，结合计算机技术，通信技术设计检测系统，其安全性和抗干扰性会大大提升。
如果采用Cypress公司的EZ-USB FX2系列集成USB2.0协议微处理芯片设计数据采集卡,数据采集的速度将高达25～400 MB/s，这种极快的数据传输速率将会使USB串口通信在工程领域有更广阔的发展空间[5]。
参考文献：
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[3]张海洋.船载天线串口数据采集系统的设计与实现[J].计算机技术与发展,2016,(1):150-154.
[4]王玉林,姜平.基于振动信号的传感器与虚拟仪器的串口通信[J].传感器与微系统,2016,35(4):18-21.
[5]祝龙记,王杰.基于USB的发电机组振动和噪声故障监测系统[J].电机与控制应用,2013,40(1):39-42.。