【正文】 ........ 37 固件程序 .......................................................................................................................... 38 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 II 固件功能 .................................................................................................................38 固件基礎(chǔ) .................................................................................................................39 固件程序的設(shè)計 .......................................................................................................41 固件程序的實現(xiàn) .......................................................................................................47 用戶程序的編寫 ................................................................................................................49 應(yīng)用程序和 USB 設(shè)備的通信 ....................................................................................49 用戶界面程序 ..........................................................................................................50 6 測試 ...........................................................................................................................................53 FPGA與 USB 的通信測試 ......................................................................................................53 USB 設(shè)備速率測試 ..............................................................................................................54 系統(tǒng)功能測 試 .....................................................................................................................55 USB 設(shè)備的識別 .......................................................................................................55 數(shù)據(jù)的采集 ..............................................................................................................56 7 主要研究工作總結(jié)與展望 ............................................................................................................59 總結(jié) ..................................................................................................................................59 展望 ..................................................................................................................................59 致 謝 .............................................................................................................................................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 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)。 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)。 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。 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。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。 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。因此， USB作為一種新的計算機(jī)接口應(yīng)運而生。但在隨后的幾年時間里， ，直到 20xx年底才塵埃落定。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。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。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 。 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。 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 。 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。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) 。 本文研究的主要內(nèi)容有： ① 分析了 USB總線特點、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。 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： 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 系統(tǒng)中最重要的就是 USB 主機(jī)和 USB 設(shè)備。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。 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 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。 （ 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。 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。 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。 （ 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。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。典型 USB 接頭如圖 22 所示。但是，對于 USB 的不同傳輸模式會用到不同特性的電纜。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。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。 （ 3） USB 軟硬件開發(fā)。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。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。 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。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，然而軟件的運行時間比較長，就會成為采樣速率的一個阻礙。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】 。 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)計簡單化、產(chǎn)品小型化。 整體設(shè)計思路為：用戶首先登入界面程序并發(fā)出相應(yīng)的采集命令；然后命令通過 USB傳輸?shù)较挛粰C(jī)也就是采集卡，緊接著采集卡的主控制器 FPGA根據(jù)命令 控制 AD進(jìn)行模數(shù)變換 的 操作，直到計算機(jī)終端收到經(jīng)由 USB傳輸過來轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，最后用戶在程序中可以輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)的接收、存儲和顯示