USB的数据采集系统设计分析
基于USB2.0的数据采集系统的研究与设计
多路模 拟信 号经过程控放大器 后送入 Ａ／ 转换器 Ｄ
种基本模 式可知 ， Ｅ 在 ＯＣ模式下 ， Ｂ Ｙ信号 、ＲＤ和 把 ＵＳ
存器 ， Ｆ Ｆ 当 Ｉ Ｏ存储器半满后 ， 经由 ＵＳ Ｂ接 口芯片上传至
主机Ｉ ４ ３１ － 。在这个采集系统的设计中， Ｂ接 口芯片选用 ＵＳ
Ｃ ｐ ｅｓ ｙ ｒｓ 公司的 Ｅ － Ｓ Ｘ Ｚ Ｕ Ｂ Ｆ ２系列芯片 Ｃ Ｃ ８ １ｔ。 Ｙ７ ６ ０ ５ ３１
技术将在雷达 、通信 、水声遥感 、语音处理 、智能仪器 、
模数转换器 输入 后 ， 其转换的数据存 入高速先入先 出缓
收 稿 日期 ： ０ —０ 一 １ ２ ９ ６ Ｉ ０
图 １ 数据采集 系统框 图
（ 动 技 与 用》０９ 第２卷 ‘ 化 术 应 ２０ 年 ８ 第１期 自 Ｉ
￥－ 机 应 用 ｉ算
Ｃｏ ｍｐｕ ｅｒＡｐｐ ｉａｔ通过测 试表 明， 芝所开发的数据采集 系统能够满足系统频谱分析的要求。 夺 关键词： ． ； ＵＳ ０ 数据采集 系统 ； 逻辑控 制
中图 分类 号 ： Ｐ ７ ． Ｔ ２ ４２ 艾献 标 识码 ： Ｂ 文章 编号 ：０ ３ ２ １ ０９ ｌ… ０ ７ ０ ４ １０ —７４ （ ０ ）ｌ ０ ４ ００ ２
采集系统 ， 有着重要 的理论 与实践意义【 Ｈ ＿Ｉ 卜２９ １ 。 Ｉ
２ 系统硬 件 设计 基 本思 想
本系统设计 了一种基于 ＵＳ ２ ０总线的多通道 、带 Ｂ ． 程控放 大、可变采样率 的数据 采集卡 ， 主要分 为三大部
分 ： Ｄ模数转换电路 ，Ｕ Ｂ ． 数据传输 电路 、Ｃ Ｌ Ａ／ Ｓ ２０ ＰＤ 逻辑信号控制 电路。基 本实现流程 是多路模 拟信号通 过
基于USB接口的电机参数数据采集系统的设计
实践与经验
ＭＡ ３ ８是 ＭＡ Ｉ 公 司 生产 的差分 输 入 四通 Ｘ１ ３ ＸＭ ＱＩＣ Ｋ（ 向时钟 信号 ）ＩＣ Ｋ是一 个参 考 时 Ｆ Ｌ 双 ： Ｌ Ｆ 钟． 可以配置 成输 入或输 出。当配 置为输 出时 ， Ｃ Ｋ Ｉ Ｌ Ｆ 被 Ｆ Ｘ２驱 动 为 ３ ＭＨｚ ４ ＭＨｚ ０ 或 ８ ；当配置 为 输入 时 ， 时钟 范 围为 ５ ４ ＭＨ 。 ￣ ８ ｚ
整 个 系 统 由 Ｍ Ａ ３ ８Ａ／ 转 换 器 和 ＣＹ７ ８ １ Ｂ 接 口芯 片 构 成 。 过 对 其 可 嫡 程 接 口控 制 Ｘ１ ３ Ｄ Ｃ６ ０ ３ＵＳ 通
逻辑 的合理设 计和 芯 片内部 ＦＦ 的有 效运 用 。 ＩＯ 实现 了数据 的高速 连续 采集 。 关键词 ：ｕｓ Ｂ：电机 参数 ；数据 采 集
维普资讯
实 践ห้องสมุดไป่ตู้与 经 验
ｌ
由
． 也 也 ． 亚 位 么 硅 垂 Ｊ Ｉ
郭 宏
鸽
（ 武汉科 技大 学计算 机科学 与技 术学 院 ，武汉 ４ ０ ８ ） ３ ０ １ 摘 要 ：介绍 了基 于 ｕｓ Ｂ接 口的 电机参 数数据 采集 系统 ， 出了该 系统 的硬件 组成 原理及 软件设 计 方法 。 给
压参数 进行动态 、 精确和快速 的检测 。 该系统中其数据
采集 部分 采用 Ｍ ＡＸ１３ ／ 转 换 器 ＋ Ｃ ７ ６ ０ ３ ３ ８ＡＤ Ｙ Ｃ ８ １
Ｕ Ｂ接 口控 制芯片构成一 ４通道数 据采集系统 。通过 Ｓ 对 其可编 程接 口控制 逻辑 的合 理设计 和 Ｕ Ｂ芯 片 内 Ｓ 部 ＦＦ ＩＯ的有 效运用 ， 实现 了对电机四相参数 的高速 同
（ ） 作 原 理 ２工
基于C8051F320的USB数据采集系统设计【毕业作品】
BI YE SHE JI（20 届）基于C8051F320的USB数据采集系统设计所在学院专业班级自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月33中文摘要随着信息技术与电子技术的迅速发展，计算机和外围设备也得到讯速发展和应用，在科学研究领域和许多生产场合中常用到数据采集技术，并且对数据采集的要求越来越高。
以前的通信方式由于传送速率慢、抗扰能弱、安装复杂麻烦等原因，严重阻碍了数据采集技术的发展，而通用串行总线USB具有传输线少、速率快、支持热插拔和易于扩展等优点，很好得解决了上述产生的问题,因而串行总线技术在计算机系统及通信设备中迅速得到广泛的使用。
本设计以USB作为总线的采集系统为主要研究内容，利用C8051F320等芯片组成的一套数据采集系统的设计方案、开发方法和开发过程，并给出了具体实现方案。
文中首先介绍了设计中所用的C8051F320芯片的性能和特点，然后给出了具体硬件设计方案，并重点介绍了设计中应该注意的问题。
整个系统包括硬件设计和软件设计两部分，实现数据高速转换和采集、数据显示、数据保存等功能。
系统硬件部分实现数据采集功能，并将采集的数据送至USB控制器，再通过USB接口将数据传送给PC机。
硬件设计部分主要包括主控制器C8051F320外围电路设计与数据采集电路选择、键输入显示电路设计等。
硬件设计中每个单元部分之间的连接主要以芯片的工作模式和系统要实现的功能来决定。
系统软件包括USB固件程序设计、驱动程序设计以及用户界面程序。
USB固件程序在keil c中实现，实现C8051F320的初始化;驱动程序为用户提供了软件和硬件平台连接的通道;用户界面程序采用VB语言完成，调用了驱动函数句柄来对硬件进行操作，完成数据的接收、保存、以及显示功能。
关键词：C8051F320，USB，数据采集技术33AbstractWith the development of information technology and the rapid development of electronic technology, the computer and peripheral equipment also gets rapid development and application in the field of scientific research, production and many occasions are commonly used in the data acquisition technique, and the data acquisition of the various requirements are also getting higher and higher. The traditional means of communication as the transmission speed is slow, weak anti-jamming ability, troublesome installation and other reasons, has seriously hindered the development of the data acquisition equipment, a new generation of universal serial bus USB transmission line having small, fast, supports hot plug and easy to extend the advantages, is a very good solution to the above problems, so the serial bus technology in the computer system and the communications equipment quickly and has been widely used.This design is based on the USB bus data acquisition system as the main research content, using a C8051F320chip consisting of a set of data acquisition system design, development method and development process, and gives the concrete realization plan. This paper first introduced the design used in the C8051F320chip performance and characteristics, and then presents the concrete hardware design scheme, and introduces the design should pay attention to the problem. The whole system includes hardware design and software design in two parts, to realize high speed data conversion and acquisition, data display, data storage and other functions.The system hardware to realize the data acquisition function, and the data will be collected and sent to the USB controller, through the USB interface transmits the data to the PC machine. The hardware design mainly includes the main controller C8051F320 peripheral circuit design and data acquisition circuit selection, key input display circuit design. The hardware design of each33unit section is connected between the main chip working mode and system to achieve the function to decide. Each unit are given a unit circuit characteristics and use.System software includes USB firmware, device driver and user interface program. USB firmware program in keil C, C8051F320initialization; device driver for the user interface program provides software and hardware platform to connect the channels; the user interface program used VB language, in VB called driving function in the handle to the hardware equipment operation, realize the data receiving, storage, and display function.Finally, through the testing of the system, in the design of the data acquisition interface shows the random input signal waveform. Proved by practice, the system design has been initially successful, can achieve USB data acquisition function.Key Word：C8051F320、USB、The data acquisition technique33目录摘要 (I)ABSTRACT (Ⅱ)目录 (Ⅳ)第一章绪论 (1)1.1课题的背景和意义 (1)1.2数据采集系统发展史 (1)1.3数据采集技术发展方向 (2)1.4设计方案的可行性分析与预期目标 (3)第二章数据采集系统的整体设计 (4)2.1硬件系统构成 (4)2.2软件系统构成 (5)第三章硬件设计模块 (6)3.1数字温湿度传感器介绍 (6)3.1.1 接口说明 (7)3.1.2 发送命令 (7)3.1.3 测量时序 (8)3.1.4 通讯复位时序 (9)3.1.5 数据物理量转化 (9)3.1.6 温湿度传感器框图 (10)3.1.7 数据采集流程图 (11)3.2数据采集系统的主控芯片 (12)3.3单片机与主机连接设备USB (14)3.3.1 USB特点 (14)3.3.2 USB与IEEE 1394比较 (15)3.3.3 USB传输类型 (15)3.4单片机键盘显示接口模块 (16)3.4.1 键输入设定 (17)333.4.2 显示器电路设定 (19)3.5单片机辅助电路 (21)3.5.1 时钟电路 (21)3.5.1 复位电路 (21)第四章软件系统设计 (22)4.1主程序设计 (22)4.2固件程序设计 (23)4.3驱动程序设计 (26)4.4用户界面程序设计 (29)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (33)33第一章绪论1.1 课题的背景和意义数据采集系统是将现场采集的数据进行处理、传输、显示、存储等操作，基于计算机测量的软硬件产品实现灵活的、用户自定义的测量系统，它主要完成数据的采集、模数转换、压缩处理，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。
大容量多通道数据采集系统中的USB接口设计
ｆ ｒｓ ｆ ａｅ ｏ Ｃ ｎ ｅ ｆｃ ｎ ｅ ＷＯ ｄ ｖｃ ｎ ｅ ｂ ｔ ｅ ｉ ｕ ｌ ｅ ａ ｐ ｒ ｎ ｙ ａ ｃ／ ｋ ｌ ｒ ｒ Ｅｖ ｎｔ ｌｙ ｏ ｏｔ ｒ ｆ ｗ Ｐ ｉ ｔｒ ｅ ｕ ｄ ｒ ｔ ｅ ｉｅ ｄ ｖ ￣ ｅｗｅ ｎ ｖ ｒ ａ ｓｒ ｌ ｏ ａ ｄ ｄ ｎ ｍｉ ｉ ｂ ａ ｙ ａ ｔ ｉ ｔ ｎ ｉ ｅ ｕａｌ
．
ｏｆＦ Ｔ２４ Ｒ ｈｉ ｆＵ Ｓ ａ ｅｌａ ｈｅ ｄｅｉｎ ｔ ｅ ｎ ｓ ｔ ａ ｅ ａ ｒ ｗ ａｅ ｆ ｒＦＴ２ Ｐ ｃ ｐ ａ ＰＧＡ ｎｔｒａ ｅ ５ ｃ ｐ ｏ Ｂ ｓｗ ｌ ｓｔ ｓｇ ｂｅｗ ｅ ｏｆ ｒ ｎｄ ｈａ ｄ ｒ ｏ ｗ ４５ ． ｈｉ ｎｄ Ｆ ｉ ｅ ｆｃ ｃｒ ｕ ｔｂ ｓ ｄ Ｏ２１ｒ ｅ ａ ａ ｉｙ ａ ｄ ｍ ｕｌ ～ｃ ｎｎｅ ａａＡ ｃ ｕ ｓｔｏ ｙｓｅ ． ｉｃ ｉ ａｅ Ｉ ａ ｇ —ｃ ｐ ｃｔ ｎ ． ｔ ｈａ ｉ ｌｏｆＤ ｔ ｑ ｉｉｉ ｎ Ｓ ｔｍ Ｔｈｅ ｔ ａ ｒｓ ｅ ｔｄ ｓｇ ｌｎ ｎ ｈｅ ｐ ｐｅ ｅ ｋｓｏｕ ｅ ｉｎ ｐａ ｓ
．
ｔ ａ ｅ ｆｎ ａ ｕｔｔ ｅｉ ｎ ｆ ｒｓ ｔ ｒ ｈｅ ｐ ｐ ｒｂ ￣ ｂｏ ｈｅ ｄ ｓｇ ｏｆｗａ ｅＰＣ ｎｔｒａ ｅ ｂ ｅ ｎ ａ ｉ ｇ ｙｎａ ｃ ｌ ｉ ｒｒ ｏｕ Ｃ６０ ｉ ｏ ｉ ｅ ｆｃ ｙ ｍ ａ ｓｏｆｃ ｌ ｎ ｄ ｌ ｍｉ ｉ ｌｂ ａ ｙ ｆ ｎｄ ｏｎ Ｖ ｎｋ
基于USB3.0高速数据采集系统的研究与设计
主 函数是整个程序 的起 始 ． 到连接模块的作用 ． 多 起 将 个模块连接起来 ． 模块 之间多通过共享数据完成通信 。 在驱动程序开发方面 ． 我们选用 了 Ｎ Ｍｅａ 司提 ｕ ｇ公 供 的 Ｄｉ ｒ ｔｄ０ 为开发工具 ．简化 了驱 动程序 的 ｒ ｅ ｕ ｉ 作 ｖ Ｓ 开发工作 、缩短 开发周 期以及降低开发驱动程序 的难
在用户 应 用 程序 的 开发 方 面 ．我们 选用 了 Ｍ— ｉ ｃｏｏ ｉ ａ Ｓ ｄｏ６０作 为 开 发 工 具 ．通 过 相 关 的 ｒｓｆＶ ｓ ｌ ｔ ｉ ． ｌ ｕ ｕ
ＡＩ Ｐ 函数 与相关 的驱动程序传递数据 ． 进行实时采集。
Ｒｅ ｅ ｒｈ ａ ｄ Ｄｅ ｉｎ ｏ ｇ ｅ ｄ Ｄａ ａ Ａｃ ｕｓｔ ｎ Ｓ ｓｅ ｓ ａ ｃ ｎ ｓｇ ｆＨｉｈ Ｓｐ ｅ ｔ ｑ ｉｉｏ ｙ ｔ ｍ ｉ Ｂ ｓ ｄｏ ａ ｅ ｎ ＵＳＢ３ ０ ．
Ｕ Ｂ与 Ｐ Ｓ Ｃ之 间 的 传 输 存 储 ．完 成 与 Ｐ Ｃ的 Ｕ Ｂ通 信 Ｓ
Ｕ Ｂ ．数 据 采集 系统 的理 想 选 择 ．它 的 超 高 速 内核 和 Ｓ３ ０ 与 Ｕ Ｂ ． 容 的设 计 能 满 足 客 户 的需 求 虽 然 我 仃 受 Ｓ２ ０兼 】
实 验 条 件 的 限 制 采 用 了 低 速 的单 片 机 Ｃ８ ５ Ｆ ２ ． ０ １ ０ ０ 没
Ｌ Ｕ Ｒ ｉｆｎ ， Ｄ Ｎ ｉｐｎ ， Ｈ ｎ ｊ ｇ ， ＭＥ ｉｏ ａ ， Ｌ Ｕ Ｘ ｎ Ｉ ｕ—ａ ｇ Ｉ Ｇ Ｗｅ－ ｉ ｇ Ｕ Ｗｅ －ｉ ｎ Ｉ ａ— ｎ Ｘ Ｉ ｉ
＼
＼ ＼＼
— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —
数据采集系统USB2.0接口设计
４ 接 口 固件 程 序 设 计
Ｉ Ｐ ５ １不 带 Ｃ Ｕ，故 需 由 与 其 连 接 的 微 控 Ｓ １８ Ｐ
Ａ ７０ Ｄ『 ：］ Ｄ［ ：ｊ １０ ５
／ ＡＷＥ
Ａ ［： ］ Ｄ７０ Ｔ １ ０ Ａ［５：ｊ
／ ／Ｗ Ｒ ＤＳ ＃
Ｄ Ｄ 。
ＩＰ ５ １ 为 接 口 芯 片 ， 它 是 ＵＳ ２ ０功 能 设 备 芯 Ｓ １８ 作 Ｂ．
通用串行总线 接 口 Ｉｐ ５ １ Ｓ １８
件接 口设计 和固件编程方 法 。 关键 词
Ｄｅ ｉｎ ｔ ｎ ｏ Ｂ ． ｎ ｅ ｆ ｃ ｎ ｄ ｔ ｃ ｕｓｔ ｎ ｓ ｓｅ ｓｇ ａ ｉ ｆＵＳ ２ ０ ｉ ｔｒ ａ ｅ ｉ ａ ａ ａ ｑ ｉｉｉ ｙ ｔｍ ｏ ｏ
Ｘｉｇ Ｗ ｅ Ｉ ｕ Ｋａｈ ａ ｎ ｉ Ａ ｉｕ
Ｋｅｗｏｄ ＵＳ ｉｔｒ ｃ Ｉｐ ５ １ ｙ ｒｓ Ｂ ｎｅ ａｅ Ｓ １ ８ ｆ
１ 系 统 方 案
基于ADuC841的USB接口数据采集系统设计
・
誊弓煮品ｔ Ｉ０６ １ 尿 ０１ ２ ．
ｗｗｗ．ｅ ｗ．ｏ ｃ ． ｐ ｃ ｍ．ｎ ｅ
维普资讯
ｊ
一
设计天 ｉ 地Ｆ ｌ ห้องสมุดไป่ตู้ｄ
图２ Ｓ Ｕ Ｂ传输模
型 图
ＸＦ 一 型 开放式傅立 叶变换光谱仪 采用 集成缩短 了开发时间 ，提高 了系统 的稳 定性 。 Ｔ１ 了经典的麦克尔逊干涉仪 ， 干涉后的光强随着
本 文 以南 京 沁 恒 的 Ｕ Ｂ接 口芯 片 ＣＨ ７ Ｓ ３５
动镜的移动而发生变化 ， 光电接收器将接收到 为核心实现 ＵＳ Ｂ数据传输 。 它具 有如下 特点 ： 的缓慢变化的光强信号转化为 了相应的电压信 兼容 Ｕ Ｂ２ ；内置 固件 模式下屏蔽 了相关的 Ｓ 。 ０
维普资讯
设计天地 ｅｌ Ｆ ｉｄ
栏 萎
潮
黧 基于Ａ ｕ ８ １ Ｕ Ｂ接１数据采集系统设计 Ｄ Ｃ４ 的 Ｓ ３
ｉ Ｄ ｓ ｎｏ Ｓ ｔ ｒ ｃ ａ ａＡ ｑ ｉ ｔ ｎＳ ｓｅ Ｂ ｓ ｄｏ Ｄ Ｃ ４ ｅ ｉ ｆ Ｂ Ｉ ｅ ｆ ｅＤ ｔ ｃ ｕｓ ｉ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ｎＡ ｕ ８ ｇ Ｕ ｎ ａ ｉｏ １
数据采 集子程 序在 主程序 接收到启动数 据采集过程命令字后运行。 当单片机 接收到上 位机通过 ＵＳ Ｂ发送过来的命令 字后 ，启动数 据采集过程 。 它利 用片内的定时器设定采集时 间间隔 ，利用片内的 ＡＤＣ进行数据采集。在 定时中断子程序中 ， 片机 将采集两个通 道的 单 数 据 ，将 它们按一 定的顺序存放到缓冲区 中， 传输过程 中，ＡＤｕ ８ １ Ｃ ７ 通过外部 中 然后检查缓冲区是否满 ， Ｃ ４ 与 Ｈ３ ５ 如果缓冲区不满 ， 定 断触 发， 采用 Ａ Ｃ ４ 的Ｉ Ｏ ｂ 中断 引脚 时中断子程序结束 ， Ｄｕ ８ １ ＮＴ ￣ 部 否则将 缓冲区中的数 据通 直接 和 Ｃ ７ 的 Ｉ ＃引脚相连 。Ｃ ３ ５ 正 过 Ｃ ７ 发送给上 位机 ， Ｈ３ ２ ＮＴ Ｈ ７在 Ｈ３ ５ 清空缓冲 区， 定时中 常工作时 ＡＣ ＃ Ｔ 引脚输 出为低 电平 ， 此在 电 断 子程 序 结 束 。 因 源和 此 引脚 间加 一 个 发光 二 极 管 能 够 指 示 ＵＳ Ｂ接 口芯片是 否正 常工作 。发光 二极管 的
数据采集_设计实验报告
一、实验目的1. 理解数据采集系统的基本原理和组成；2. 掌握数据采集系统的设计方法和步骤；3. 学会使用数据采集设备进行数据采集；4. 分析和解读采集到的数据。
二、实验原理数据采集系统是指将各种物理量、化学量、生物量等转换成数字信号，并存储、处理和分析的系统。
它由数据采集器、信号调理电路、数据传输线路和数据处理软件等组成。
三、实验器材1. 数据采集器：采用USB接口的数据采集器，可连接计算机；2. 信号调理电路：包括放大器、滤波器等；3. 计算机及数据处理软件；4. 模拟信号源：提供不同的模拟信号；5. 连接线及电源。
四、实验步骤1. 数据采集器与计算机连接，打开数据处理软件；2. 设计信号调理电路，对模拟信号进行放大、滤波等处理；3. 将信号调理电路与数据采集器连接，并连接模拟信号源；4. 设置数据采集器参数，如采样频率、分辨率等；5. 采集模拟信号，并将数据保存到计算机；6. 对采集到的数据进行处理和分析。
五、实验内容1. 采集不同频率的正弦信号，分析频率与幅值的关系；2. 采集不同带宽的滤波信号，分析带宽与滤波效果的关系；3. 采集不同放大倍数的信号，分析放大倍数与信号幅值的关系；4. 采集不同温度下的热电偶信号，分析温度与电势的关系。
六、实验结果与分析1. 频率与幅值的关系：在信号源频率不变的情况下，采集到的正弦信号的幅值随放大倍数的增大而增大，符合正比关系；2. 带宽与滤波效果的关系：在信号源带宽不变的情况下，滤波器的带宽越大，信号中的噪声成分越少，滤波效果越好；3. 放大倍数与信号幅值的关系：在信号源幅值不变的情况下，采集到的信号幅值随放大倍数的增大而增大，符合正比关系；4. 温度与电势的关系：在热电偶温度不变的情况下，采集到的电势随温度的升高而增大，符合线性关系。
七、实验结论1. 数据采集系统是进行科学实验和工程应用的重要工具，具有广泛的应用前景；2. 在数据采集过程中，信号调理电路的设计对采集结果具有重要影响；3. 通过数据处理软件对采集到的数据进行处理和分析，可以得到有价值的实验结果。
基于DSP和USB的数据采集系统的设计
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｔ ｑｕ ｓｔｏ Ｓ ｓ ｅ ｓ ｄ ｏ ｓｇ ｆ Ｄａ ａ Ａｃ ｉｉｉ ｎ ｙ ｔ ｍ Ｂａ ｅ ｎ ＤＳＰ ｎ ａ ｄ ＵＳＢ
Ｚ ＨＡＮＧ Ｆ ｎ — ｎ ，ＺＨＯ ｏ ｆｎ ａ ｇｆ ｇ ａ Ｕ Ｈｕ — ｇ，Ｓ ｅ ＯＮＧ Ｌ — ｕ ，Ｒ ｉ ｇ ｎ ｎ ｉ ｉ ＥＮ Ｎ ｎ — ｉ ｇ ｈ
０ 引 言
在工业控制领域 ， 常需要 采集大量 的现 场数据 ， 统 的数 传 据采集系统 以工控机为核心 ， 现场信号通过 数据采集模块输 入 工控机进行处理 ， 整个 系统体积大 、 功耗高 。在环境 恶劣 、 电力 设施 缺乏 的地 区， 如海上 和西 部沙漠地 区的油 气开采 现场 ， 传
（ ｏｔ ｏｌ ｅｏ ｅｉｇＵｎｖｒｉ ｆ ｈ ｍｉ ｌ ｅｈ ｏ ｇ ， ａ ｇａ ｇ０ ５０ ， ｈｎ ） Ｎ ｒｈＣ ｌ ｇ ｆ ｉｎ ｉｅｓｙｏ ｅ ｃ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｌ ｎ ｆｎ ６ ２ １ Ｃ ｉａ ｅ Ｂｊ ｔ Ｃ ａＴ ｏ
Ａｂ ｔａ ｔ ａａ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｙ ｔｍ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ａ ｅ ｎ Ｄ Ｐ，ｃ ｎ ｉ ｅ ｉｇ ｔｅ ｄ ｆ ｉｎ ｉ ｓｉ ｒｄ ｔ ｎ ｌｄ ｔ ｃ ｕ ｓｔ ｎ ｓ ｒ ｃ ：Ａ ｄ ｔ ｃ ｕ ｓｔ ｎ ｓ ｓｅ ｗａ ｅ ｉ ｎ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ Ｓ ｉ ｏ ｓｄ ｒ ｈ ｅｉ ｅ ｃｅ ｎ ｔａ ｉ ｏ ａ ａａ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｉ ｓ ｓ ｍ．Ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｓ ｌ ｃｅ ５ ０ ｓｔ ｅ ｃ ｒ ｒｃ ｓ ｏ ，ｕ ｅ ｙｔ ｅ ｈ ｙ ｔｍ ｅｅ ｔｄ ＶＣ ４ ２ ａ ｈ ｏｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｒ ｓ ｄ ＤＭＡ ｏ ｔ ｌｄ ｔ ｃ ｕ ｓｔ ｎ，ｔ ｅ ｔ ｃ ｎ ｒ ａａ ａ ｑ ｉ ｉ ｏ ｏ ｉｏ ｈ ｎ ＤＭＡ ａ ｄ ｔ ｅＣＰ ｏ ｌ ｎ ｈ Ｕ ｃ ｕ ｄ
基于USB接口的便携式数据采集系统的设计
基 于 ＵＳ 接 １ 便 携 式 数 据 采 集 系 统 的设 计 Ｂ ３的
Ｄｅ ｉｎ ｏ ｓｇ ［Ｃｏ ｅ ｉ ｎｔ ｎｓｒ ｍ ｅ ｆＤ ａ ａ Ａ ｃ ｉ ｉｉ ｎ Ｓ ｔ ｒ ｓ ｄ ｏ Ｂ ｎｔ ｒａ ｅ ｎｖ ｎ ｅ ｔｕ Ｉ ｎｔ ｔ ｑｕ ｓ ｔｏ ｙｓｅ Ｂａ ｅ ｎ ＵＳ Ｉ ｅ Ｙ ｃ ｏ ｎ
良好的人 机界 面。
关 键 词 ：Ｕ Ｂ；数 据采 集 ；Ｇ Ｉ Ｓ ＰＦ；ＭＤ变 换器
中 图分 类 号 ：Ｔ ２４ Ｐ ７
Ａｂ
文献 标 识 码 ：Ｂ
文章 编 号 ： １０ － １７２ ０ ） ｏ ｏ— ５ ０３ ００ （０ ８ ｍ－ ｏ９ ０
ｃ ： Ｉ ｄ ｏ ｄｅ ｉ ｙ ｔ ｍ ｃｈ ｃ ｕ ｄ ｂｅ ｕ ｅ ｎ ｔ ｅ ｏ ｎ ｆ ｌ ． ｔ ｅ ｒ ｓ ａｒ ｏｃ ｓ ｓ ｏ ｈ ｔｕ ｔ ｒ ｆａ ｐ ｒａ ｅ ｄａａ ｔ ｎｏｒ ｅｒ ｓｇｎ ａ ｓ ｓ ｅ ｗｈｉ ｏ ｌ ｓ ｄ ｉ ｈ ｐｅ ｉ ｄ ｔ ｅ ｈ ｅ ｅ ｃｈ ｆ ｕ ｅ ｎ ｔ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｏｔ ｂｌ ｔ
ｆｅ ｅ ｃ ｅ ４ ＭＨｚ Ａｌ ｔ ｅ ｌｇｉａｌ ｕ ｃ ｉｎ ｆＦ ｒ ｑｕ ｎ ｙ ａｒ ０ ｌ ｈ ｃ ｎ ｔ ｓ ｏ ＰＧＡ ａ ｅ ｒ ａｉ ｄ ｂｙ ｐ ｏ ａ ｍｉｇ ｏ ｆ ｏ ｒ ｅ ｌ ｒ ｇｒ ｚｅ ｍ ｎ ＶＨＤＬ ｃ ｄｅ ｃ ｅ ｉｅ ｈ ｏｎ ｒ ｆｒ ａ ｎ ｏ ｓ ｗｈｉｈ ｒ ａｌ ｓ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｅ ｄｉｇ ｚ ｏｌ
１研究背景与系统总要求
１１数据采集设备的设计要求 ．
一
根据数据采集器 的要求 ，对基于 Ｕ Ｂ的数据采集系统进行 方 Ｓ 案设计 。该数 据采集系统采 用两路 １ ４位 ４ ＭＨｚ ＡＤ变换 ０ 的 ／
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
USB的数据采集系统设计分析0 引言地质雷达从 20 世纪初，随着电子技术的发展，其功能和技术指标得到极大的提高，如利用高频天线进行公路面层厚度检测时，垂向分辨率可达到毫米级，利用低频天线探测深层目标时，探测深度可达到几十米。
如今，随着地质雷达在考古、市政建设、建筑、铁路等各个领域的广泛应用，地质雷达的数据处理方法也在不断地进步。
随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制中已成为必不可少的。
这就为我们的设计提出了两个方面的要求：一方面，要求接口简单灵活且有较高的数据传输率；另一方面，由于数据量通常都较大，要求主机能够对实时数据做出快速响应，并及时进行分析和处理。
随着信息化带动工业化进程的逐步深入，电子计算机信息技术的不断发展和完善，采用单片机实现的数据采集系统的应用越来越多。
随着工业化的进步，以前传统的采用人工进行数据记录登记已经远远不能满足现在工业化生产的要求，而采用通用数据总线USB 连接单片机实现的数据采集系统具有自动化和无人值守等特点，使得它们在许多应用场合得到了广泛的应用。
本文采用的是EZ-USB FX2LP 的CY7C68013 芯片，以USB 为研究对象，结合大型复杂的可编程器件（CPLD），设计USB 总线接口，构成基于PC 机的数据采集系统，最终实现多通道、高速的数据采集。
1 通用串行总线USBUSB（Universal Serial Bus 通用串行总线）是一种计算机和外部设备进行通信连接的新型接口，最早于1994 年11 月，由康柏、微软、IBM、DEC 等公司共同提出[1]。
USB 具有连接方便,无需外接电源,即插即用,支持热插拔,动态加载驱动程序等特有优点,在主机和数据采集系统之间可以实现简单、快捷、可靠的连接和通讯。
所以,基于USB 总线的数据采集方式非常适用于数据采集系统，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。
1.1 USB 总线特性USB 是一种高效、快速、价格低廉、体积小和支持热插拔的新型串行通信接口。
其支持多个外围设备的连接和通信，并且即插即用的特点使用户可以在不重新启动计算机的情况下直接将USB 外围设备连接到计算机并开始通信。
USB 规范为计算机和外部设备之间的通信提供了一套完整的解决方案，与老式的计算机接口相比，USB 总线具有以下的优点：1.接口小巧。
与老式的计算机接口相比，USB 接口具有很明显的体积优势，顺应了计算机和外部设备小型化的发展趋势。
2.共享式接口。
USB 接口采用了“菊花链”式的连接方式，支持多个外设的连接。
通过USB 集线器，一个USB 主控制器最多可以连接126 个外设，大大拓展了计算机的外部功能扩展能力。
3.支持即插即用和热插拔。
当USB 设备连接到计算机的时候，系统会自动检测这个设备，并加载对应的驱动程序。
这样，USB 实现了自动配置，用户无需任何手动配置，连接设备不需要重新启动计算机；用户也可以随时断开USB 设备与计算机的连接，而不会损害计算机和外部设备。
4.支持多种操作。
目前USB 支持3 种传输速率：低速1.5Mbit/s、全速12Mbit/s 和高速480Mbit/s。
同时，USB 还支持4 种类型的传输模式：块传输、中断传输、同步传输和控制传输。
这样可以满足不同外设的功能需要。
5.成本低。
目前，市场上USB 的主控和从控芯片的价格都已十分低廉，其他组件也很便宜良好的兼容性。
USB 规范发展至今已有USB1.0、USB1.1、USB2.0、无线USB 和USBOTG 等多个版本协议，这些协议都具有很好的向下兼容性。
1.2 USB 的数据传输在 USB 总线上，所有与USB 设备功能单元的数据传输都是由客户软件启动的，其传输过程必须经过四个软硬件实体:客户软件、USB 总线驱动程序、USB 主控制器驱动程序和USB 主控制器。
客户软件向USB 设备发送数据的传输步骤如下:1.客户软件把要传输的数据放入数据缓冲区，并向USB 总线驱动程序发出IRP，以请求数据传输；B 总线驱动程序响应客户软件的IRP，并将其中的数据转化为一个个具有USB 格式的事务处理，然后将其向下传递；B 主控制器驱动程序负责为这些事务处理建立一系列以帧/小帧为单位的事务列表，并保证其不会超过USB 的带宽；B 总线控制器负责读取事务列表，并将其中的事务处理以信息包为单位发送到USB总线上；B 设备接收到这些信息包后，SIE 自动将其解包并将数据放入指定端点的接收缓冲区内，由芯片固件对其进行处理。
USB 通过管道在主机缓冲区与设备端口间传送数据。
在消息管道中传递的数据具有USB 定义的格式，它的缓冲区中包含的数据允许具有设备指定的格式。
USB 要求任何在管道上传送的数据均被打包，数据的解释工作用客户软件和应用层软件负责。
USB 提供了多种数据格式，使之尽可能满足客户软件和应用软件的要求。
为了适合各种数据传输的需要，在USB 协议中定义了4 种数据传输类型。
分别是控制传输（control transfer）、中断传输（interrupt transfer）、批量传输（bulk transfer）和同步传输（isochronous transfer），这4种传输类型必须符合通过总线来传输不同数据类型的要求[2]。
2 系统硬件设计本文完成的主要功能是主机和USB 控制器之间大量数据的采集和发送，用到的硬件环境为支持USB2.0 协议的PC 机和USB 控制器，中间通过USB 电缆进行连接，主机和USB的数据通过上述过程进行传输，完成大量数据的采集和发送。
下面介绍所选芯片EZ-USBFX2 的结构、特点，以及数据采集系统的硬件设计。
2.1 EZ-USB FX2 特性EZ-USB FX2LP 拥有非常独特的结构，其串行接口引擎（SIE）负责完成串行数据的解码、差错处理、位填充等与USB 协议有关的功能。
串行接口引擎（SIE）能够实现大部分的功能，从而减轻了嵌入式增强8051 的负担，简化了USB 固件程序的开发。
EZ-USB FX2LP 的CPU采用增强型8051 内核，指令集和标准的8051 完全兼容，因此便于学习和应用。
这个增强型的8051 内核比标准的内核速度快，硬件资源更丰富，功能更强大[3]。
总体来说，EZ-USBFX2LP 更方便于开发。
需要强调的是，EZ-USB FX2LP 芯片的固件程序存放主机上，而不是在芯片内部，因此在该芯片连接到主机上时，首先将固件程序下载到片内RAM，再开始执行。
EZ-USB FX2LP 芯片结构所示2.2 数据采集系统的硬件设计设计 CY7C68013A 的关键管脚除了电源、地、差分数据线D+和D-外，IFCLK，WAKEUP＃，RESERVED，EA，SDA，SCL 分别必须要连接上拉或下拉电阻。
只有正确的连接，主机才可以正确的找到并识别出USB 设备。
当 USB 设备，即CY7C68013A 连接上主机时，如果D＋和D－上存在一个压差值，主机会发现USB 设备，并向CY7C68013A 请求VID（Vendor ID，厂商ID）和PID（Product ID，产品ID），并根据PID 和VID 加载对应的驱动程序。
设备上电后，如CY7C68013A 没有连接EEPROM（电式可擦除只读存储器），固件提交默认VID（04B4）和PID（1004），主机加载默认驱动CyUSB.sys 后，通过设备管理器能看到USB总线上有名为：“Cypress EZ-USBFX2LP - EEPROM missing”的设备。
则CY7C68013A 被系统正确识别。
用EZ-USB FX2LPDevelopment kits（EZ-USB FX2LP 开发包）提供的CyConsole.exe（Cypress USB Console，Cypress USB 控制台），可以进行对芯片查看配置和固件下载的操作。
3 系统软件实现在整个设计开发过程中，Cypress 公司已经为我们提供了很好的硬件基础，所以我们开发的主要内容就是软件设计。
从本设计的系统的实现来看，USB 的软件的开发过程主要实现由以下3 个部分组成，整个系统的结构所示：(1) 固件程序；(2) Windows USB 设备驱动程序；(3) 用户 Windows USB 应用程序。
主机应用程序控制系统的运行，应用程序通过对固件程序的调度，USB 芯片把应用设备传入的数据打包为具有USB 协议的信息，或是把主机传入的数据进行解包，去掉USB 协议信息后送给应用设备。
应用程序通过对驱动程序的调用，完成与USB 设备的数据传输。
本章我们就介绍系统的软件设计。
3.1 固件程序设计Cypress 公司为了简化固件代码的开发过程，特别设计一个固件程序框架。
整个固件架构是按照结构化的程序设计方法，将整个程序分为几个不同的功能模块，这样既易于编写调试，也增强了程序的可读性。
其主要工作是完成初始化、USB 标准设备请求的处理和USB挂起电源管理服务。
用户只需要提供USB 设备描述符表，添加其他端点接收和发送数据的通信代码，以及外围电路的程序代码。
在本系统的USB 固件的开发过程中，就是使用固件架构来进行固件的开发。
在本文中，固件开发使用的编译工具为德国Keil 公司的C51 编译器，集成开发环境为μVision3。
该环境集成了项目管理器、Cx51 编译器、Ax51 汇编器、BL51/Lx51 连接定位器、RTX51 实时操作系统、源程序调试器，可以用来编译C51 源程序和汇编源程序。
在对 EZ-USB FX2LP 的开发中，利用EZ-USB FX2LP 固件框架可以简化和加速开发基于EZ-USB FX2LP 芯片的外围设备。
而EZ-USB FX2LP 固件框架库则提供了一系列函数来进一步加速USB 外设固件程序的开发。
Cypress 公司的开发包的Target 文件夹下，提供了基本的USB 固件程序开发框架。
这些提供了对各种USB 请求、中断处理以及中断寄存器定义等的封装[4]。
Cypress 公司为其EZ-USB 系列芯片提供了良好的固件调试程序，在固件设计完成后，可以首先采用其进行初步的调试，检查系统的固件程序工作是否正常。
3.2 USB 驱动程序设计Cypress 为其EZ-USB FX2LP 系列芯片提供了一个完整的开发包，里面包含了通用的USB 驱动程序，用户可以在不加任何修改的基础上进行USB 设备的开发和调试。
Cypress的通用驱动程序特点如下：1.采用WDM 驱动模型，经由WHQL 鉴定。
2.兼容USB2.0 设备。
3.支持Windows 即插即用和电源管理。
4.支持USB 远程唤醒。
5.支持控制传输端点、块传输端点、中断传输端点和同步传输端点。