基于USB接口的现场数据采集系统设计开题报告.doc

长春大学电子信息工程学院毕业设计开题报告题 目：基于USB接口的现场数据采集系统设计学 院： 电子信息工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 学 号： 指导教师： 开题时间： 本课题研究的意义：（填写课题在理论上和应用上的价值）USB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB接口可用于连接多达127种外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、microsoft等多家公司联合提出的，自1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。从1994年11月11日发表了USB V0.7版本以后，USB版本经历了多年的发展，到现在已经发展为3.0版本。数据采集是工业控制中一个普遍而重要的环节，因此开发基于USB接口的现场数据采集具有很强的现实应用意义。随着现代工业领域对数据采集的要求越来越高，传统的以采用数据采集卡为主的方法由于传输速度慢、安装麻烦、抗干扰能力差等很多问题已难以适应如今数据采集的要求。通用串行总线USB 具有传输速度快、支持热插拔及传输线少等优点，因此将USB 应用于数据采集系统可以很好的解决传统数据采集系统的不足，具有广泛的应用价值。调研（社会调查）情况： 国外企业己经推出了很多能适应不同条件，不同精度要求等情况的 USB 数据采集系列产品。典型的是美国国家仪器有限公司（National Instruments，NI）研制的一系列USB 数据采集卡，NI 公司于2006年6 月份推出了两款最新USB2.0 总线的M 系列数据采集设备，实现了高达1.25Mb/s 的采样率。这些新设备不但为现有USB 兼容的数据采集设备提供最高速率的数据采集功能，同时也以功能强大的测量服务软件简化了系统设置和程序设计的工作。新推出的USB2.0 高速设备包含免费的交互式数据记录软件，以供分析之用。但是NI 公司的USB 数据采集卡系列产品的价格都很昂贵。 近年来国内有很多公司像北京中泰研创科技有限公司，成都中科动态仪器有限公司等都相继推出了USB 数据采集卡，而这些产品多是基于USBI.1 协议规范，其数据传输速度远低于基于USB2.0 协议规范的数据采集卡，因此也制约了这些产品的采集速度目前国内对USB 接口开发应用的广度和深度还远远不如传统的串行口、并行口以及各种总线插卡，其应用主要是局限于开发一些标准的微机外围设备，U 盘、鼠标、键盘等。这主要是由于作为一个新技术和新标准，USB 规范较为复杂，应用开发人员还不是很了解，相应的技术支持和参考设计资源比较少，要把USB 接口作为微机的一个通用I/O 接口使用具有一定的软硬件开发难度。目前，国内外有一些厂商为USB 设备的研发提供软硬件支持，这在很大程度上降低了开发难度，减少了开发时间，提高了开发质量和效率。USB2.0 接口凭借低成本、高性能、可靠稳定、方便灵活的特点，将逐步成为微型计算机的主要输入输出方式。总的来说，目前国内对USB 数据采集设备的研制已经取得了可喜的发展，但是与国外的情况相比，在开发和应用的深度和广度而言，还有一段距离现场数据采集要求比较高的场合多是采用的国外产品。因此，随着计算机对USB 接口的普及和实际应用中对数据采集卡要求的提高，利用USB2.0 协议规范开发出符合多种场合要求的数据采集系统，以及此领域内先进产品的国产化等都成了急待解决的现实问题。拟采用研究方法：（具体写本课题的研究方法和实施方案）该数据采集系统的硬件部分主要由A/D 转换器AD7829，LPC2132 微处理器，USB2.0接口芯片ISP1581 和PC 机组成。USB数据采集系统硬件结构图如图所示。模拟信号输入模数转换AD7892微处理器LPC213USB接口芯片ISP1851PC机 系统硬件结构图数据采集系统的工作原理：由传感器采集的信号经调制电路放大、滤波等处理后，进入由微处理器控制的AD7829 进行模数转换，转换后的数字量进入微处理器LPC2132 并暂存在其中，随后由USB 接口芯片将数字量传递给PC 机进行数据处理，同时将PC 机端的客户应用程序发出的控制信号通过USB 接口传送到以LPC2132 为核心的数据采集系统。 USB 设备固件程序采用单片机C语言进行编写，驱动程序基于WDM 模型采用VC +DDK 的方法来开发，主机应用程序采用VisualC + +编写.用户通过主机应用程序调用WindowsAPI 函数，将请求下发到驱动程序，由驱动程序构造URB ，通过USBD 类，下发到微控制器.微控制器根据USB 接口芯片触发的中断类型和用户传来的命令，进入到相应的中断服务程序进行数据采集.经过AlD 转换后再重新打包由USB 接口芯片通过USB接口发送给主机，从而完成整个采集过程.研究计划：（填写课题的研究内容和时间节点）（阶段时间表：2012年3月15日 毕业设计开题，学生交毕业设计开题报告，答辩2012年5月9日；学院进行毕业设计中期检查，交译文2012年5月30日；交毕业设计论文，学院集中审阅2012年6月11-15学生毕业答辩)文献综述（不少于1000字正文+15篇参考文献，其中应包含英文参考文献）随着现代工业生产和科学研究对数据采集系统的要求日益提高，传输速度、纠错能力和操作安装的简易性是人们采集数据时关注的问题，这使得数据通讯技术成为其中的关键技术，而数据采集系统采用何种接口进行通讯是影响系统整体效率的重要因素之一. USB( 通用串行总线)接口是数据采集系统通讯接口的一种较好选择，其具有使用安装灵活、传输速度快、可靠性高、易于扩展等优点，已逐渐成为现代数据通讯的发展趋势。USB 接口有如下特点:(1)速度快.USB1.1规范的数据传输率可达1.512M b /s, 比标准的串行口快得多,U SB 2.0 可以提供向下兼容和360480Mb/s 的传输速率.可以适应各种不同类型的外设.(2)易扩展.用USB连接的外围设备可以分为5 层,外设数目最多可达127个.(3)USB支持热插拔,可以在不关PC 机的情况下安全地插上和断开USB设备.热插拔体现了USB的安全、可靠和智能.(4)USB 支持PnP( Plug and Play) ,也就是即插即用.当插上USB设备时,主计算机设备检测该外设并且通过加载相关的驱动程序对该设备进行配置.(5)使用灵活.USB共有4种传输模式:控制传输(control)、同布传输(Synchronization) 、中断传输(interrupt) 、块传输(bulk) ,以适应不同设备的需要.(6)USB在设备供电方面提供了灵活性.USB直接连接的设备可以通过USB电缆供电.USB传输线中的两条电源线可以提供5V 电源供USB设备使用.数据采集卡的基本工作原理如下：经前馈放大后的模拟信号进入模数变换器57,)#，经3/45 进行串并转换的数据经锁存后输入存储器，当存储器中数据达设定值后，存储器向逻辑控制单元发出中断请求，再由逻辑控制单元根据具体情况将中断请求发送至主控机的H/1 ，启动外部存储器的读操作。1996年，USB-IF公布了USB1.0规范，1998年，在进一步对以前版本标准进行阐述和扩充的基础上，发布了USB标准的1.1规范，它支持1.5Mbps（低速）和12Mbps（全速）的数据传输速率。1999年发布了第三个版本的USB2.0，它的传输速率增加到了480Mbps，随之还产生了USB2.0版本的补充协议On-The-Go（OTG）技术。USB接口技术不断发展，并慢慢取代先前的串并口，各种带有USB接口的HID如鼠标、键盘及大容量移动存储设备相继产生，它还被广泛应用于各种外围采集设备。USB 近年来开始在计算机外设中得到普及，并逐渐成为计算机标准外设，它的出现使传统数据采集问题可以得到很好的解决。相对于传统的串行、并行接口，USB 的优势在于：即插即用，支持热插拔，灵活方便；传输速度快，USB2.0提供最高达480Mbps 的传输率；最多可接127 个设备；电源可从计算机或集线器获得，不需要外加电源；通信稳定；成本低廉。USB 设备在PC 领域的应用目前已经非常普遍，如USB 数码照相机、USB 摄像头、USB 打印机等；而考虑到USB 的各种优势，基于USB 总线的数据采集系统也正逐渐成为工控领域的应用热点。目前国内外都已开发出了一些成熟的USB 数据采集设备产品，可见基于USB 的数据采集系统具有广阔的应用前景，本课题具有一定的现实意义。目前市场上虽然有很多针对不同应用场合的USB 数据采集产品，但对于一些特殊的应用(特别是工业上的高速数据采集)，事实上还需要自行开发应用系统。同时考虑到USB 规范仍在不断完善，因此USB 接口的相关产品也还需要不断发展。参考文献：1周立功，PDIUSBD12 USB固件编程与驱动开发M，北京，北京航空航天大学出版社，2003.2 2 王立萍，吴黎明基于嵌入式USB 数据采集系统的设计开发 J 电子测量技术，2007，30（9）：2426 3 梁颖，游磊，饶蜀华，匡顺兰，王俭勤，基于USB接口数据采集卡的设计与实现J，计算机测量与控制，2005.13（4）4陈秀玲，周欣 ，陈黎平，基于USB接口的数据采集系统的设计与实现J，自动化仪表 ,2004,25(9)5 陈秀玲，周欣 ，陈黎平，基于USB接口的数据采集系统的设计与实现J，自动化仪表,2004,25(9) 6陶春荣，金艳艳，基于USB接口的数据采集系统J，雷达与对抗，20047路永坤，基于USB接口的数据采集模块的设计与实现J,自动化仪表, 2005,26(2)8洪家平，基于USB接口器件MAX3420E的高速数据采集系统设计J，国外电子元器件，2008.9 周振宇,谷海颖. 基于USB总线的实时数据采集系统的设计J.电子技术应用,2002 ,17(2)10 汪春梅，贾红涛，USB在实时数据采集系统中的应用N,上海师范大学学报,2008,0411 王荣,邱力军,刘军,吴凯，基于USB接口的数据采集系统设计N，第四军医大学学报，2009-10-19 12 丁珠玉，樊利，吴永烽，牟波佳，张济龙，基于USB在实时数据采集系统与分析系统N，西南大学学报，2009-07-1413 National Sem iconductor. USBN9602(UniversalSeria B us)Full Speed F unction Controller With DMA SupportZ.November,1998 14 Adams BD , Sebastian BM , Carter J , et al. Honoring the admiral:Boerhaave - Van