【文章內(nèi)容簡介】 ..............................................64 符錄電路原理圖 .............................................................................................................................65 緒論 1 1 緒論 研究背景與意義 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是指對各種傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行采集，通過 AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號，然后把數(shù)字信號送入計算機(jī)進(jìn)行處理，并按需要的形式輸出處理結(jié)果的系統(tǒng)。伴隨著科學(xué)技術(shù)飛速 的 發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為獲取信息的重要途徑以及探索科學(xué)奧秘的重要手段已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。 目前常用的數(shù)據(jù)采集方式主要是將基于 ISA或 PCI的數(shù)據(jù)采集板卡安裝在工業(yè)控制機(jī)或者 PC機(jī)內(nèi)。但是這種數(shù)據(jù)采集方式有很多的缺陷： (1)插拔 困難 、安裝復(fù)雜、價格比較貴 ， 并且計算機(jī)的插槽數(shù)量、地址、中斷資源 也 限制了 采集卡的 擴(kuò)展性； (2)數(shù)據(jù)采集卡被安裝在工業(yè)控制機(jī)或者 PC機(jī)內(nèi)部，不便于攜帶 ，因此 無法進(jìn)行野外現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集 【 1】 。 通 用串行總線 (Universal Serial Bus) USB作為目前最重要的計算機(jī)外設(shè)互聯(lián)接口，它具有即插即用、傳輸速率高、且易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。并且，在一般情況下 USB主機(jī)上可以提供穩(wěn)定的 5V電壓，這樣 USB外部設(shè)備可以通過相應(yīng)電纜獲得主機(jī)提供的電壓。 具有 USB接口的 數(shù)據(jù)采集卡就 可以通過 USB電纜獲得 穩(wěn)定可靠的工作電源。 USB作為新型的接口 更容易滿足復(fù)雜、靈活的設(shè)計和電路的微型化的要求。因此 ， USB總線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 ISA或 PCI總線用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以滿足人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷性、高速性、擴(kuò)展性和通用性的 要求。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢 計算機(jī)具有良好的擴(kuò)展性，依賴于其具備的多種通信接口。 RS23并行接口、 PCI等老式計算機(jī)接口存在規(guī)范不統(tǒng)一、體積龐大、可擴(kuò)展性差、不支持熱插拔等缺陷。隨著技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)應(yīng)用的需要，老式接口的缺陷越來越制約計算機(jī)的使用。因此， USB作為一種新的計算機(jī)接口應(yīng)運(yùn)而生。 IBM、 Microsoft等 7家公司在 1994年 11月時就共同提出了 USB規(guī)范。但在隨后的幾年時間里， ，直到 20xx年底才塵埃落定。這時候的 ，其 最高傳輸速率可以達(dá)到 480Mbps【 2】 。直到 20xx年 11月 26日， USB促進(jìn)委員會才正式宣布新一代 ， ，相比較 ，可謂是向前邁了一大步。 如今隨著集成電路的飛速發(fā)展和 USB設(shè)備開發(fā)的進(jìn)步，各種集成 有 USB控制器的芯片相繼問世。這些產(chǎn)品中大都集成了功能強(qiáng)大的處理器，顯然提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和傳輸速度，同時在一定程度上降低了開發(fā)難度。到目前為止，基于 USB接口的產(chǎn)品種類繁多，西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 從低運(yùn)行速度的鼠標(biāo)、鍵盤到 全速 的 MP移動硬盤、數(shù)碼相機(jī)以及高速的數(shù)據(jù)采集卡等。我們注意到 USB接口因其即插即用、 可 兼容性以及可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)得到了極其廣泛的應(yīng)用，它己經(jīng)成功的應(yīng)用到了信息產(chǎn)業(yè)、家電產(chǎn)業(yè)和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè) 等， 特別 是 在數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用尤為突出 。 當(dāng)下，許多能夠適應(yīng)不同傳輸速率，不同深廣度要求的 USB數(shù)據(jù)采集系列產(chǎn)品已經(jīng)琳瑯滿目。 NI公司研制的一系列 USB數(shù)據(jù)采集卡可以說是其中的代表，但是 NI公司的 USB數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品的價格普遍偏高，因此對于國內(nèi)的大多數(shù)用戶來說顯然無法承受這樣昂貴的價格。相比于國外，國內(nèi)對 USB數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的研發(fā)相對落 后，但總體來看，現(xiàn)在國內(nèi)的一些廠家對 USB接口的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的開發(fā)和研制已經(jīng)取得了一定的成果，其研究產(chǎn)品的種類也越來越繁多，但是范圍和研發(fā)的深度存在著不小的差距，主要表現(xiàn)在下面的幾個方面：采用 ，而采用 ；采集系統(tǒng)功能過于簡單，同時在采集速率、精度以及分辨率上和國外還存在相當(dāng)大的差距。 現(xiàn)階段隨著 USB協(xié)議的不斷完善，對比其他采集系統(tǒng)， USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口的性能會有其他產(chǎn)品無法媲美的優(yōu)勢，它會得到越來越廣泛的應(yīng)用 。 所以說對 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做更為深入的開發(fā)也顯得尤為重 要。 本文研究的主要內(nèi)容 本文在分析 USB總線的體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)基礎(chǔ)上，確定了一種基于 USB的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案。在該方案中，系統(tǒng)選用 FPGA作為硬件電路的主控制器。對于輸入的模擬信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在 FPGA的控制下傳輸給 USB，然后再通過 USB控制接口將數(shù)字信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī) 。 用戶可以通過上位機(jī)界面程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、存儲以及采集控制等功能。 本文研究的主要內(nèi)容有： ① 分析了 USB總線特點(diǎn)、系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 以及開發(fā)流程 等； ② 設(shè)計了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路，同時完成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和 FPGA的連接， FPGA與 USB的連接，以及 FPGA外圍電路的設(shè)計；在要求各個元器件對電源電壓的相適應(yīng)的條件下，設(shè)計提供了相匹配的電源系統(tǒng)；完成了系統(tǒng)原理圖設(shè)計和 PCB圖的繪制； ③ 利用硬件描述語言 VerilogHDL，編寫了基于 FPGA內(nèi)部邏輯控制模塊，完成了對 AD采樣的控制，以及對 USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲? ④ 分析了 USB接口電路的固件程序開發(fā)步驟，并用 C51語言開發(fā)了 USB接口設(shè)備的固件程序，實現(xiàn)了 USB在 Slave FIFO模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽? ⑤ 編寫了上位機(jī)的應(yīng)用程序，完成了數(shù)據(jù)的讀取與顯示； ⑥ 最后結(jié)合硬件和軟 件對整個系統(tǒng)進(jìn)行了最終測試，并給出了測試大量有益結(jié)果與分析。 系統(tǒng)總體設(shè)計 3 2 USB 簡介 USB 總線的特點(diǎn) USB 是英文 Universal Serial BUS（通用串行總線）的縮寫，用來統(tǒng)一電腦與外部設(shè)備的連接和通訊，是一種新的計算機(jī)接口技術(shù)。 USB 總線接口與傳統(tǒng)的計算機(jī)接口相比，具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)： ① 接口體積小巧，具有很相當(dāng)大的體積優(yōu)勢 ， 在目前計算機(jī)和集成化的趨勢中，得到了廣泛的應(yīng)用； ② 能夠適應(yīng)低速、全速和高速的傳輸速率操作； ③ 為適應(yīng)不同外部設(shè)備對于 不同 功能 的 需要，它提供了 4 種不同類型的傳輸； ④ 即 插即用是它基本功能之一 ， 對于 USB 設(shè)備來說，只要安裝了與之適應(yīng)的驅(qū)動程序，它就可以工作； ⑤ USB 接口具有外部供電能力 ， 計算機(jī)上的 USB 接口最大可以輸出 500mA 的電流，5V 的電壓，滿足大多數(shù)微處理系統(tǒng)對電源的要求； ⑥ 具有良好的兼容性 ， 隨著技術(shù)的發(fā)展， USB 規(guī)范包括 、 、 ，以及無線 USB 和 USBOTG 等多個版本，并且 USB 規(guī)范都具有良好的向下兼容性； ⑦ 性價比高 ， 目前，隨著技術(shù)的發(fā)展和 USB 設(shè)備的普及， USB 的芯片以及 USB 電纜的價格都已十分低廉， USB 接口的性價比日益提 高。 USB 總線結(jié)構(gòu) USB 主機(jī)、 USB 設(shè)備和 USB 電纜組成一個簡單的 USB 應(yīng)用系統(tǒng)，如圖 21 所示。USB 系統(tǒng)中最重要的就是 USB 主機(jī)和 USB 設(shè)備?？傮w來說，用戶的特定功能是由 USB設(shè)備完成而 USB 協(xié)議的處理 則 是由 USB 主機(jī)負(fù)責(zé)的。對于 USB 主機(jī)與其設(shè)備之間的通信，包含上行通信和下行通信。前者主要用于 USB 設(shè)備 向 USB 主機(jī) 傳輸數(shù)據(jù) ，后者則主要用于 USB 主機(jī)向 USB 設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 U S B 設(shè) 備U S B 主機(jī)上行通信下行通信 圖 21 簡單的 USB系統(tǒng) Figure21 Simple USB system （ 1） USB 主機(jī) 廣義上講，具有 USB 端口的計算機(jī)以及其他具有 USB 主控芯片的設(shè)備都可以稱為USB 主機(jī)。 USB 主機(jī)在整個數(shù)據(jù)通信過程中有著相當(dāng)重要的地位，它控制著數(shù)據(jù)的啟動和命令的傳輸，而 USB 設(shè)備只有被動的響應(yīng) USB 主機(jī)請求。 USB 系統(tǒng)中不能有多個 USB主機(jī)同時存在，如果 有多個主機(jī) 就會引起 系統(tǒng) 混亂。鑒于此種情況 USB 協(xié)議明確規(guī)定：USB 系統(tǒng)中只能有一個 USB 主機(jī)存在。 （ 2） USB 設(shè)備 伴隨著 USB 接口的飛速發(fā)展， USB 設(shè)備種類越來越豐富，主要包括 USB 功能設(shè)備和 USB 集線器兩種類 型。 ① USB 功能設(shè)備一般是一個獨(dú)立的外部設(shè)備，例如有用于擴(kuò)展USB 主機(jī)功能的 USB 鼠標(biāo)，以及用來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊苿佑脖P或者 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。 USB 功能設(shè)備連接到 USB 主機(jī)后，主機(jī)需對其進(jìn)行配置設(shè)置， 這 樣 USB 功能設(shè)備才可以使用。 ② USB 集線器的功能主要是提供額外的連接點(diǎn)給 USB 主機(jī)系統(tǒng)，從而擴(kuò)展USB 主機(jī)的端口，那樣的話使一個 USB 端口可以擴(kuò)展連接多個設(shè)備。 USB 設(shè)備與其主機(jī)的連接主要包括 USB主機(jī)與集線器的上行端口連接以及 USB設(shè)備與集線器的下行端口連接。同時我們必須注意到 USB 集線器的級聯(lián)是有限制的 ，它最多可以級聯(lián) 5 級。 （ 3） USB 的連接 USB 連接器有兩種： A 型和 B 型， A 型插座與 A 型插頭匹配 ， B 型插座與 B 型插頭匹配。 A 型插座主要用在 USB 主機(jī)或者 USB 集線器下行端口，而對 B 型插座來講，它則 主要用在 USB 設(shè)備或集線器的上行端口。當(dāng)然無論 A 型還是 B 型的 USB 接頭，它們均有 4 根引線： VCC、 GND、 D+ 、 D，分別對應(yīng) USB 電纜的 4 根導(dǎo)線。 USB 主機(jī)通過VCC 和 GND 這兩個引線向 USB 設(shè)備供電；通過 D+ 、 D 差分?jǐn)?shù)據(jù)線向 USB 設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。典型 USB 接頭如圖 22 所示。 系統(tǒng)總體設(shè)計 5 圖 22 USB接頭 Figure22 USB connector USB 電纜將 USB 主機(jī)、 USB 集線器以及 USB 設(shè)備連接起來，形成一個完整的 USB系統(tǒng)。但是，對于 USB 的不同傳輸模式會用到不同特性的電纜。 USB 設(shè)備的開發(fā)流程 USB 設(shè)備的開發(fā)流程簡單介紹如下： （ 1）分析功能。主要分析 USB 設(shè)備需要實現(xiàn)的所有功能，以及每個功能采用的實現(xiàn)方式、數(shù)據(jù)傳輸類型和速率、所需要的硬件資源等。 （ 2）選擇 USB 接口芯片。在明確了 USB 設(shè)備的功能要求后，我們就要選擇一款合適的 USB 接口芯片。需要強(qiáng)調(diào)的是選擇芯片需要考慮很多因素 ，比如芯片內(nèi)部資源、芯片管腳數(shù)目、芯片封裝形式、兼容性，同時價格也是必須考慮的。 （ 3） USB 軟硬件開發(fā)。在選擇了合適的芯片后，我們就可以進(jìn)行軟硬件開發(fā)了。軟件開發(fā)則主要包括設(shè)計 USB 芯片固件程序、驅(qū)動程序和用戶界面程序等；而硬件開發(fā)主要包括設(shè)備功能組件、硬件接口、資源分配等。 （ 4）設(shè)備綜合調(diào)試。當(dāng) USB 設(shè)備的主要功能設(shè)計完成了，但為了完整和完善設(shè)備的整體功能，還需要對整個軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)試。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 系統(tǒng)總體設(shè)計 7 3 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)的性能指標(biāo) 輸入通道：單通道 ； 測量對象：工業(yè)現(xiàn)場各類傳感 器的輸出電壓 ； 電壓范圍： ～ ； 頻率范圍： 1Hz～ 400KHz； 采樣分辨力： 8位； 最大采樣速率： 2MSPS； 數(shù)據(jù)傳輸接口： ； FPGA緩存深度： 1024，位寬 8bits； 系統(tǒng)電源：模擬電壓 +5V、 、 5V數(shù)字電壓； 用戶程序：要能讀取 USB的配置描述符，采集的控制以及數(shù)據(jù)的顯示、存儲等功能； 供電方式： USB接口供電或外接電源可選，供電電壓為 +； “便攜式 ”應(yīng)是本系統(tǒng)的最大特色，特別是在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計時應(yīng)充分考慮集成度、體積、功耗等問題 。 系統(tǒng)方案的確定 基于 USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型框架如圖 31所示。 A D 轉(zhuǎn) 換芯 片控 制 器U S B 接 口芯 片P C 機(jī)模 擬輸 入U S B電 纜 圖 31 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型框架 Figure31 typical framework of the USB data acquisition system 現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集卡常用單片機(jī)或 DSP作為控制器。單片機(jī)的時鐘頻率比較低，需要軟件支持來實現(xiàn)其功能，然而軟件的運(yùn)行時間比較長，就會成為采樣速率的一個阻礙。 相比而言采用 DSP作為控制器的采集卡 其 運(yùn)算速度較快而且擅長處理密集的乘加運(yùn)算，但是它很難完成對外圍復(fù)雜硬件進(jìn)行邏輯控制。既然采用單片機(jī)或 DSP作為控制器的數(shù)據(jù)采集卡有很大的缺陷，那么就應(yīng)該尋找速度更快，能更好的對外圍硬件進(jìn)行邏輯控制的控制器。FPGA作為新一代的控制器就能很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制器的缺陷。 FPGA不僅可以使電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高穩(wěn)定性，還能讓開發(fā)周期縮短、電路板面積縮小、開發(fā)軟件投入少、成本 不斷降低等 【 45】 。正是因為 FPGA具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以促使 FPGA越來越多的取代其他西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 專用集成電路市場。 因此本文中選用 FPGA作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器，它可以代替許多傳統(tǒng)的邏輯電路，也可使系統(tǒng)設(shè)計簡