1、 硕士学位论文基于 USB 的便携式数据采集系统设计 摘要I论文题目：基于 USB 的便携式数据采集系统设计学科名称：电话与系统摘 要传统的数据采集卡普遍采用PCI、ISA等标准接口，基于这些标准接口的采集卡有不便于携带、安装复杂、可扩展性差等问题，它已不能满足科研和生产的实际需要。通用串行接口USB作为一种新型的串口通信标准，具有传输速率高、可扩展性好、即插即用、使用灵活等特性，很好的弥补了传统采集卡接口的缺陷。本文结合USB的传输优势和FPGA 的高效性能，设计了一种基于USB 的便携式数据采集系统。文中首先简单的对USB总线的特点以其相应的体系结构进行了介绍，然后对硬件电路、软件程序以及
2、系统测试几个方面进行了深入论述。在硬件设计方面：选用的系统硬件主要由模数转换模块、FPGA主控制器模块、USB接口模块以及电源模块构成；根据系统要实现的功能以及芯片的工作方式完成了电路的连接，同时完成了系统的原理图设计和PCB图的绘制。在软件设计方面：根据系统的设计要求，重点研究了三部分内容：FPGA控制程序、USB固件程序以及客户端应用程序。同时详细介绍了各部分软件的具体设计思想，并给出了相应的程序流程图与调试结果。最后，结合硬件和软件对整个系统进行了最终测试，并给出了测试结果和分析。结果表明：该数据采集系统的功能符合设计要求，能够满足一般工业现场对数据采集系统便携性、低功耗以及对数据传输速
3、度要求较高的任务需求。关键词：数据采集；USB2.0；FPGA ；固件程序；应用程序西安理工大学硕士学位论文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 commonly used standard interfaces such as PCI
4、、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 production.The Universal Serial interfaces USB as a new standard of serial communication, it has a high transmission rate, good scalability .At the same time,it is easy to
5、 plug and play, variety in use. So it is compensated 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 USB2.0 have designed and implemented .The pape
6、r first briefly describes the architecture and features of the USB bus, then conducted in-depth discussion on aspects of the hardware circuit, software programs, and system testing.In the Hardware：We mainly completed AD converter circuit design, FPGA host controller peripheral circuit design,the USB
7、 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 t
8、he three sections: the FPGA control-program design, USB firmware design and client application program design.At the time,describeing in detail the various parts of the software design ideas.We also give the corresponding program flowchart and debugging results.At last ,combination of hardware and s
9、oftware , 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 trans
10、fer speeds .Key words: Data acquisition; USB2.0; Firmware; Application目录I目 录 1 绪论 .11.1 研究背景与意义 .11.2 国内外研究现状与趋势 .11.3 本文研究的主要内容 .22 USB 简介 .32.1 USB 总线的特点 .32.2 USB 总线结构 .32.3 USB 设备的开发流程 .53 系统总体设计 .73.1 系统的性能指标 .73.2 系统方案的确定 .73.3 硬件构成 .83.4 软件构成 .94 系统硬件电路的设计与实现 .114.1 FPGA .114.1.1 FPGA 简介 .114
11、.1.2 FPGA 芯片的选择 .124.2 AD 转换器的选择 .134.3 USB 接口芯片的选择 .154.3.1 CY7C68013A 芯片结构 .154.3.2 CY7C68013A 的端点缓冲区 .164.3.3 CY7C68013A 的接口模式 .174.4 AD 电路设计 .184.4.1 接口的电平转换 .184.4.2 TLC5510 外围电路设计 .194.5 USB 电路设计 .194.5.1 USB 与 FPGA 的接口电路 .204.5.2 USB 的外围电路 .214.6 FPGA 外围电路设计 .224.6.1 时钟电路及复位电路 .224.6.2FPGA 下载
12、配置与调试接口电路设计 .234.7 电源电路的设计 .244.8 抗干扰和 PCB 设计 .265 系统软件设计 .275.1 FPGA 逻辑设计 .275.1.1 ADC 控制模块设计 .285.1.2 FIFO 在 FPGA 中的应用 .305.1.3 时钟与分频模块设计 .325.1.4 USB 控制模块 .335.1.5 FPGA 总体控制逻辑设计 .355.2 驱动程序 .365.2.1 驱动程序简介 .365.2.2 驱动程序的安装 .375.3 固件程序 .38西安理工大学硕士学位论文II5.3.1 固件功能 .385.3.2 固件基础 .395.3.3 固件程序的设计 .41
13、5.3.4 固件程序的实现 .475.4 用户程序的编写 .495.4.1 应用程序和 USB 设备的通信 .495.4.2 用户界面程序 .506 测试 .536.1 FPGA 与 USB 的通信测试 .536.2 USB 设备速率测试 .546.3 系统功能测试 .556.3.1 USB 设备的识别 .556.3.2 数据的采集 .567 主要研究工作总结与展望 .597.1 总结 .597.2 展望 .59致 谢 .61参考文献 .62攻读硕士学位期间取得的研究成果 .64符录电路原理图 .65绪论11 绪论1.1 研究背景与意义数据采集系统是指对各种传感器输出的模拟信号进行采集，通过A
14、D转换器将模拟信号转换成数字信号，然后把数字信号送入计算机进行处理，并按需要的形式输出处理结果的系统。伴随着科学技术飞速的发展，数据采集系统作为获取信息的重要途径以及探索科学奥秘的重要手段已广泛应用于各个领域。目前常用的数据采集方式主要是将基于ISA或PCI的数据采集板卡安装在工业控制机或者PC 机内。但是这种数据采集方式有很多的缺陷：(1)插拔困难、安装复杂、价格比较贵，并且计算机的插槽数量、地址、中断资源也限制了采集卡的扩展性；(2)数据采集卡被安装在工业控制机或者PC 机内部，不便于携带，因此无法进行野外现场的数据采集【1】 。通用串行总线(Universal Serial Bus) U
15、SB作为目前最重要的计算机外设互联接口，它具有即插即用、传输速率高、且易于扩展的优点。并且，在一般情况下USB主机上可以提供稳定的5V电压，这样USB外部设备可以通过相应电缆获得主机提供的电压。具有USB接口的数据采集卡就可以通过USB 电缆获得稳定可靠的工作电源。USB 作为新型的接口更容易满足复杂、灵活的设计和电路的微型化的要求。因此，USB总线代替传统的ISA或PCI 总线用于数据采集系统，可以满足人们对数据采集系统的便捷性、高速性、扩展性和通用性的要求。1.2 国内外研究现状与趋势计算机具有良好的扩展性，依赖于其具备的多种通信接口。RS232、并行接口、PCI等老式计算机接口存在规范不
16、统一、体积庞大、可扩展性差、不支持热插拔等缺陷。随着技术的发展和计算机应用的需要，老式接口的缺陷越来越制约计算机的使用。因此，USB作为一种新的计算机接口应运而生。IBM 、Microsoft等7家公司在1994年11月时就共同提出了USB规范。但在随后的几年时间里，USB2.0规范迟迟没有问世，直到2000年底才尘埃落定。这时候的USB2.0同时支持三种传输速度，其最高传输速率可以达到480Mbps【2】 。直到2008年11月26日，USB 促进委员会才正式宣布新一代 USB3.0接口规范已经制定完全，USB3.0接口最高传输速度将高达5.0Gbps，相比较USB2.0的传输速度，可谓是向
17、前迈了一大步。如今随着集成电路的飞速发展和USB设备开发的进步，各种集成有USB控制器的芯片相继问世。这些产品中大都集成了功能强大的处理器，显然提高了数据传输的稳定性西安理工大学硕士学位论文2和传输速度，同时在一定程度上降低了开发难度。到目前为止，基于USB接口的产品种类繁多，从低运行速度的鼠标、键盘到全速的MP3、移动硬盘、数码相机以及高速的数据采集卡等。我们注意到USB接口因其即插即用、可兼容性以及可扩展性等优点得到了极其广泛的应用，它己经成功的应用到了信息产业、家电产业和网络产业等，特别是在数据采集方面的应用尤为突出。当下，许多能够适应不同传输速率，不同深广度要求的USB数据采集系列产品
18、已经琳琅满目。NI公司研制的一系列 USB数据采集卡可以说是其中的代表，但是NI公司的USB数据采集卡产品的价格普遍偏高，因此对于国内的大多数用户来说显然无法承受这样昂贵的价格。相比于国外，国内对USB数据采集产品的研发相对落后，但总体来看，现在国内的一些厂家对USB接口的数据采集产品的开发和研制已经取得了一定的成果，其研究产品的种类也越来越繁多，但是范围和研发的深度存在着不小的差距，主要表现在下面的几个方面：采用USB1.1协议的产品较多，而采用USB2.0较少；采集系统功能过于简单，同时在采集速率、精度以及分辨率上和国外还存在相当大的差距。现阶段随着USB协议的不断完善，对比其他采集系统，
19、USB数据采集系统接口的性能会有其他产品无法媲美的优势，它会得到越来越广泛的应用。所以说对USB数据采集系统做更为深入的开发也显得尤为重要。1.3 本文研究的主要内容本文在分析USB总线的体系结构和特点基础上，确定了一种基于USB的便携式数据采集系统的方案。在该方案中，系统选用FPGA作为硬件电路的主控制器。对于输入的模拟信号，经模数转换后，在FPGA的控制下传输给USB，然后再通过USB 控制接口将数字信号传输到上位机。用户可以通过上位机界面程序实现数据的读取、存储以及采集控制等功能。本文研究的主要内容有：分析了USB总线特点、系统的组成结构以及开发流程等；设计了数据采集系统的硬件电路，同时完成了模数转换器和FPGA的连接，FPGA与USB 的连接，以及FPGA外围电路的设计；在要求各个元器件对电源电压的相适应的条件下，设计提供了相匹配的电源系统；完成了系统原理图设计和PCB图的绘制；利用硬件描述语言VerilogHDL，编写了基于FPGA内部逻辑控制模块，完成了对AD采样的控制，以及对USB 数据传输的控制；分析了USB接口电路的固件程序开发步骤，并用C51语言开发了USB接口设备的固件程序，实现了USB在 Slave FIFO模式下进行数据传输的功能；编写了上位机的应用程序，完成了数据的读取与显示；最后结合硬件和软件对整个系统进行了最终测试，并给出了测试大量有益结果与
