【正文】 ......................................................................................................................61參考文獻(xiàn) ...........................................................................................................................................................62攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果 ...............................................................................................................64符錄電路原理圖 ...............................................................................................................................................65緒論11 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(jì)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)。 。結(jié)果表明：該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿足一般工業(yè)現(xiàn)場對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)便攜性、低功耗以及對數(shù)據(jù)傳輸速度要求較高的任務(wù)需求。同時(shí)詳細(xì)介紹了各部分軟件的具體設(shè)計(jì)思想，并給出了相應(yīng)的程序流程圖與調(diào)試結(jié)果。在硬件設(shè)計(jì)方面：選用的系統(tǒng)硬件主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、FPGA主控制器模塊、USB接口模塊以及電源模塊構(gòu)成；根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能以及芯片的工作方式完成了電路的連接，同時(shí)完成了系統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)和PCB圖的繪制。本文結(jié)合USB的傳輸優(yōu)勢和FPGA 的高效性能，設(shè)計(jì)了一種基于USB 的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 碩士學(xué)位論文 基于 USB 的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要I論文題目：基于 USB 的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)科名稱：電話與系統(tǒng)摘 要傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡普遍采用PCI、ISA等標(biāo)準(zhǔn)接口，基于這些標(biāo)準(zhǔn)接口的采集卡有不便于攜帶、安裝復(fù)雜、可擴(kuò)展性差等問題，它已不能滿足科研和生產(chǎn)的實(shí)際需要。通用串行接口USB作為一種新型的串口通信標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸速率高、可擴(kuò)展性好、即插即用、使用靈活等特性，很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)采集卡接口的缺陷。文中首先簡單的對USB總線的特點(diǎn)以其相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，然后對硬件電路、軟件程序以及系統(tǒng)測試幾個(gè)方面進(jìn)行了深入論述。在軟件設(shè)計(jì)方面：根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)研究了三部分內(nèi)容：FPGA控制程序、USB固件程序以及客戶端應(yīng)用程序。最后，結(jié)合硬件和軟件對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了最終測試，并給出了測試結(jié)果和分析。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；；FPGA ；固件程序；應(yīng)用程序西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文IITitle: PORTABLE DATA ACQUISITION SYSTEM DESIGN BASED ON USBMajor：Circuits and systems Name： WenHua He Signature: Supervisor：Prof. ShuiYu WANG Signature: AbstractTraditional data acquisition card is monly used standard interfaces such as PCI 、ISA， but the acquisition card is not easy to carry, install and expand. So it can not meet the actual needs of the research and Universal Serial interfaces USB as a new standard of serial munication, it has a high transmission rate, good scalability .At the same time,it is easy to plug and play, variety in use. So it is pensated for the defects of traditional capture card interface.In this paper, along with the efficient performance of the transmission advantage of the USB and FPGA, a portable data acquisition system based on have designed and implemented .The paper first briefly describes the architecture and features of the USB bus, then conducted indepth discussion on aspects of the hardware circuit, software programs, and system testing.In the Hardware：We mainly pleted AD converter circuit design, FPGA host controller peripheral circuit design,the USB interface circuit design and the power module design. The connection between each part of the chip operating modes and systems to achieve the function. Complete system schematic design and PCB diagram of the hardware circuit system,In the software：According to the design requirements, we focus on the three sections: the FPGA controlprogram design, USB firmware design and client application program the time,describeing in detail the various parts of the software design also give the corresponding program flowchart and debugging results.At last ,bination of hardware and software , testing the entire systemis was tested and 摘要IIIthe test results and analysis were gived. The results showed that the data acquisition system can meet the design requirements which the general industrial field data acquisition system portability, low power consumption and higher data transfer speeds .Key words: Data acquisition。 Firmware。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(gè)領(lǐng)域。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(jià)格比較貴，并且計(jì)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】 。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。USB 作為新型的接口更容易滿足復(fù)雜、靈活的設(shè)計(jì)和電路的微型化的要求。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢計(jì)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。隨著技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的需要，老式接口的缺陷越來越制約計(jì)算機(jī)的使用。IBM 、Microsoft等7家公司在1994年11月時(shí)就共同提出了USB規(guī)范。其最高傳輸速率可以達(dá)到480Mbps【2】 。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。到目前為止，基于USB接口的產(chǎn)品種類繁多，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。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。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(gè)方面：，而采用；采集系統(tǒng)功能過于簡單，同時(shí)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。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。在該方案中，系統(tǒng)選用FPGA作為硬件電路的主控制器。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。西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文42 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(jì)算機(jī)接口技術(shù)。 USB 總線結(jié)構(gòu)USB 主機(jī)、USB 設(shè)備和 USB 電纜組成一個(gè)簡單的 USB 應(yīng)用系統(tǒng)，如圖 21 所示?？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。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)。USB 主機(jī)在整個(gè)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。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(gè) USB 主機(jī)存在。 ①USB 功能設(shè)備一般是一個(gè)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。②USB 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(gè) USB 端口可以擴(kuò)展連接多個(gè)設(shè)備。同時(shí)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。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。USB 主機(jī)通過 VCC 和 GND 這兩個(gè)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)。西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文6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(gè)完整的 USB系統(tǒng)。 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。（2）選擇 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(shí)價(jià)格也是必須考慮的。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。（4）設(shè)備綜合調(diào)試。西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文8系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)93 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 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；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(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮集成度、體積、功耗等問題。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(xiǎn) 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。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。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。正是因?yàn)镕