（光学工程专业论文）光电测试系统中基于usb接口的虚拟函数发生器的研制.pdf

国防科学技术大学研究生学位论文 摘要 论文以光电测试实验的需求为牵引，以构成自动化光电测试系统为目标，结合当今仪 器领域发展的新动态，研制了基于u s b 接口的虚拟函数发生器。 虚拟仪器是一种基于计算机的自动化仪器系统，它是最新p c 技术、电子线路技术和 先进的测试理念以及强大的软件包等多种技术的大集成。 随着光电子技术和计算机技术的发展，光电测试系统在光电设备的 贝9 量、调试方面具 有重要的作用，虚拟仪器在光电测试系统的组成中占有重要的地位，各种虚拟仪器可由计 算机进行统一的控制、管理和数据处理，自动化程度高，可为光电设备的研发及光电实验 课程的教学提供有力的测量和调试手段，具有方便、快捷、准确、灵活的特点。 论文所研制的基于u s b 接口的虚拟函数发生器使用连接方便、即插即用的u s b 接口 技术实现主机与设备的通信。主机端使用d e l p h i 编写应用软件，用d r i v e r s t u d i o 开发 w i n 2 0 0 0 下的驱动程序；设备端使用波形发生芯片m a x 0 3 8 产生三种基本波形，通过修改 m a x 0 3 8 芯片相应的引脚参数实现频率、占空比的控制以及输出波形的选择，通过压控放 大器实现输出波形幅度的高精度控制，并通过使用频率计对频率进行反馈调整实现输出频 率的高精度调节。 本设计的特点主要有： 一、采用u s b 接口技术实现硬件部分和计算机的通信，使得虚拟仪器和计算机的 连接更方便，数据传输速率更高。 二、 采用c p l d 代替传统的7 4 系列芯片来实现逻辑控制，具有修改方便、控制灵 活等特点。 三、 在c p l d 内部实现了频率计功能，通过对输出频率进行反馈，实现对输出波 形的频率进行精细调节，使输出频率更稳定。 四、使用m a x 0 3 8 波形发生芯片产生波形，通过修改m a x 0 3 8 相应引脚的参数方 便地实现输出波形的频率和占空比及偏置电压参数的调节。 五、采用压控放大器l m i - 1 6 5 0 3 实现波形幅度高分辨率的控制，使输出波形幅度的 调整范围达1 0 v ，分辨精度达到2 5 m v 。 六、参照s c p i 定义指令的语法规则定义了仪器的控制指令，方便了用户对软件的 二次开发。 七、 采用了c o m p u w a r e 公司为开发驱动程序专门设计的编程软件d r i v e r s t u d i o 3 1 第1 页 国防科学技术大学研究生学位论文 来开发本仪器在w i n 2 0 0 0 下的的u s b 驱动程序，具有良好的稳定性。 通过与台湾固纬电子实业股份有限公司的g f g 8 2 1 0 模拟函数发生器进行各种性能指 标的比较，本仪器在输出信号的质量上已经基本达到了g f g - 8 2 1 0 模拟函数发生器的水平， 并且本仪器拥有模拟函数发生器不具备的虚拟仪器的优势，通过与理想波形的比较，所研 制的函数发生器输出的频率范围为0 1 h z 1 0 m h z 、幅度范围为* 1 0 v 的波形已经达到了一 般设备对信号的要求，已经可以应用到实验室的教学和科研当中。 关键词：虚拟仪器u s b 接口 c p l d 函数发生器 m a x 0 3 8 第页 国防科学技术大学研究生学位论文 a b s t r a c t u n d e rt h et r a c t i o no fp h o t o e l e c t r o nt e s ta n dt h et a r g e to fp h o t o e l e c t r o nt e s ts y s t e m a n dw i t l l t h ed i r e c t i o no fi n s t r u m e n td e v e l o p m e n t ，t h ea r t i c l es t u d y sa n dm a n u f a c t u r e sav i r t u a lf u n c t i o n g e n e r a t o rb a s e do nu s b i n t e r f a c e v i r t u a li n s t n t m e n ti sa na u t o m a t i o ni n s t r u m e n ts y s t e mb a s e do nc o m p u t e r s i ti st h e c o m b i n a t i o no ff r e s hp ct e c h n o l o g y , a d v a n c e dt e s tt e c h n i q u e sa n dp o w e r f u ls o f t w a r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp h o t o e l e c t r o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , p h o t o e l e c t r o nt e s ts y s t e m i sv e r yi m p o r t a n ti nt e s t i n ga n dd e b u g g i n gp h o t o e l e c t r o ne q u i p m e n t s v i r t u a lm a c h i n ea c t sa sa n i m p o r t a n t r o l ei n p h o t o e l e c t r o nt e s ts y s t e m d i f f e r e n tk i n d so fv i r t u a li n s t r u m e n t sc a nb e c o n t r o l l e d ，m a n a g e da n d d a t ap r o c e s s e db yc o m p u t e r t h e ya r eh i g h l ya u t o m a t e d ，w h op r o v i d ea p o w e r f u lm e t h o do ft e s t i n g a n dd e b u g g i n go n p h o t o e l e c t r o ne q u i p m e n t sd e v e l o p i n ga n d p h o t o e l e c t r o ne x p e r i m e n tc u r r i c u l u mt e a c h i n g v h - t u a lm a c h i n eh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f c o n v e n i e n t ，f a s t ，a c c u r a t ea n df l e x i b l e t h ev i r t u a lf u n c t i o ng e n e r a t o ri nt h ea r t i c l ec o m m u n i c a t e sw i t ht h ec o m p u t e rb yu s b i n t e r f a c e i ne n do fp ca p p l i c a t i o ns o f t w a r ei si m p l e m e n t e du n d e rd e l p h ii d e ，a n dt h e d e v e l o p m e n to ft h eu s b d r i v e ru n d e rw i n 2 0 0 0i sa i d e db yd r i v e rs t u d i o3 1 i nt h ee n do f i n s t r u m e n tt h r e ek i n d so fw a v e f o r m sa r ed e v e l o p e db yt h ec h i pm a x 0 3 8 ，t h ec h a n g i n go ft h e f r e q u e n c ya n dt h ed u t ya n dt h ec h o i c eo ft h ew a v e f o r mw h i c hw i l lb eo u t p u t t e da r ei m p l e m e n t e d b yc h a n g i n gt h ec o r r e s p o n d i n gp i n s p a r a m e t e r s , t h eh i g h - r e s o l u t i o na m p l i t u d ec o n t r o li s i m p l e m e n t e db yt h ev o l t a g ec o n t r o l l e dg a i na m p l i f i e r - - l m h 6 5 0 3 ，t h eh i g h - r e s o l u t i o nf r e q u e n c y c o n t r o li si m p l e m e n t e db yt h ef e e d b a c ko ft h ef r e q u e n c yw h i c hi sm e a s u r e db yc y m o m e t e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i n u ef u n c t i o ng e n e r a t o ra r e ： 1 i ti m p l e m e n t st h ei n t e r f a c eb e t w e e nv i r t u em a c h i n ea n dc o m p u t e rb yu s b ，w h i c hi s m o r ec o n v e n i e n ta n dh a sf a s t e rs p e e d 2 i tu s e s 凹u di n s t e a do f7 4s e r i e sc h i p st oi m p l e m e n tt h ec o n t r o ll o g i c s i tc a nb e m o d i f i e de a s i l ya n di sm u c hf l e x i b l e 3 t h eh i g h r e s o l u t i o nf r e q u e n c yc o n t r o li si m p l e m e n t e db yt h ef e e d b a c ko ft h ec y m o m e t e r w h i c hi sp r o g r a m m e di nc p l d ，f r e q u e n c i e sw i l lb ev e r ys t a b l e 4 t h ew a v e f o r mi sg e n e r a t e db ym a x 0 3 8 i ti sv e r yc o n v e n i e n tt oa d j u s tt h ef r e q u e n c y , d u t yc y c l ea n do f f s e tv o l t a g eo ft h ew a v e f o r mb yc h a n g i n gp a r a m e t e r so ft h e c o r r e s p o n d i n gp i n so ft h ec h i p 5 i ti m p l e m e n t st h eh i g h r e s o l u t i o na m p l i t u d ec o n t r o lo ft h ew a v e f o r mw i t ht h ev o l t a g e c o n t r o l l e d g a i na m p l i f i e r - - l m h 6 5 0 3 ，w h i c hm a k e st h er a n g eo ft h ea d j u s t i n gi s 第i 页 国防科学技术大学研究生学位论文 , - 1 0 、r e s o l u t i o ni su p t o2 5 m v 6 i td e f i n e dt h ec o n t r o li n s t r u c t i o n sr e f e r r i n gt os c p ir u l e s ，w h i c hm a k e ss e c o n d - t u m d e v e l o p m e n tm u c he a s i e r 7 t h ed e v e l o p m e n to ft h eu s bd r i v e ru n d e rw i n 2 0 0 0i sa i d e db yd r i v e rs t u d i o3 1 ，w h i c h i sd r i v e r - d e v e l o p m e n to r i e n t e ds o f t w a r em a d eb yc o m p u w a rc o r p o r a t i o n c o m p a r e dw i t ht h eg f g - 8 2 1 0a n a l o gf u n c t i o ng e n e r a t o ri na ui n d e x e s ，t h eo u t p u to fo u r e q u i p m e n th a sr e a c h e dt h es a m el e v e l w h a ti sm o l e ，o u r sh a ss o m ea d v a n t a g e sb yv i r t u a l m a c h i n ew h i c ha n a l o gf u n c t i o ng e n e r a t o rd o e s n th a v e n eo u t p u to fo u rf u n c t i o ng e n e r a t o rh a s r e a c ht h er e q u i r e m e n to fo r d i n a r ye q u i p m e n t si nt h er a n g eo f0 1 h z - 1 0 m h za n d _ 1 0 v 1 0 v i t c a nb es a f e l yu s e di nt e a c h i n ga n dr e s e a r c h i n go ft h el a b s k e yw o r d s ： v i r t u a li n s t r u m e n t ，u s bi n t e r f a c e , c p i m ，f u n c t i o ng e n e r a t o r , m a x 0 3 8 第1 v 页 国防科学技术大学研究生学位论文 本文插图目录 图1 1 光电测试系统的结构2 图1 2 模拟信号发生器的层次结构2 图1 3 星型拓扑结构示意图5 图2 1 虚拟函数发生器的基本结构。6 图3 1u s b n 9 6 0 4 的结构框图及芯片引脚分配8 图3 2 单片机对u s b 控制器的基本控制框图1 0 图3 3a d u c 8 1 2 的结构框图1 1 图3 4a d u c 8 1 2 的引脚分配1 1 图3 5 频率计功能框图1 3 图3 6 分频器的结构1 3 图3 7 频率计的工作流程。1 4 图3 8m a x 0 3 8 内部结构框图及芯片引脚1 6 图3 。9 波形处理电路结构框图1 8 图3 1 0 占空比与d a d j 引脚电压的关系1 9 图3 1 1 输出频率与。，的关系曲线2 0 图3 1 2 输出频率与i i n 和c ，的关系2 0 图3 1 3 占空比和频率调节的电路2 1 图3 1 4 输出波形的幅度和偏置电压调整2 2 图3 1 5 偏置电压的产生电路2 3 图3 1 6l m h 6 5 0 3 的结构框图和芯片引脚2 4 图3 1 7 增益控制电压v g 的产生电路2 4 图3 1 8l m h 6 5 0 3 的电路图2 5 图3 1 9v g 与增益的关系2 6 图3 2 0 l m 6 1 8 1 的电路图2 6 图3 2 1m a x 0 3 8 输出的1 0 m h z 方波信号2 7 图3 2 2 经过l m h 6 5 0 3 一倍放大后的信号。2 7 图3 2 3 经过l ，m 6 1 8 1 放大5 倍后的方波信号2 8 图3 2 4 d a c 0 8 3 0 与m a x 4 1 0 0 的电路连接图2 8 图3 2 5 使用继电器方法的等效电路连接图2 9 图3 2 6 输入的方波信号2 9 图3 2 7 输出的方波信号3 0 图4 1 上层软件的程序流程3 3 图4 2 程序界面3 3 图4 3 驱动程序模块3 5 图4 4 环境变量设置3 7 图4 5d r i v e r s t u d i o3 1 运行的起始界面3 7 图4 6v c + + 6 0 的菜单栏3 8 图4 7d d kb u i l ds e t t i n g s 对话框。3 8 图4 8b a t c hb u i l d 对话框3 8 图4 9a d du s be n d p o i n t 对话框3 9 图4 1 0 总线选择对话框3 9 图4 1 1 设备调用方式对话框4 0 第m 页 国防科学技术大学研究生学位论文 图4 1 2 驱动的缓冲方式。4 1 图4 1 3 单片机程序的流程4 2 图4 1 4 中断i n t l 的服务程序的流程图4 3 图5 1t h d 与频率的关系曲线4 8 图5 2t h d 与输出波形幅度的关系曲线4 9 图5 3 非线性度图示4 9 图5 4n l 与频率的关系曲线5 0 图5 5 上升沿和下降沿与频率的关系曲线5 1 图5 1 0 虚拟函数发生器输出的波形( a ) 和g f g 。8 2 1 0 输出的波形( a ) 5 4 图5 1 l 虚拟函数发生器输出的波形( a ) 和g f g 8 2 1 0 输出的波形( a ) 5 5 图5 1 2 虚拟函数发生器输出的波形( a ) 和g f g 一8 2 1 0 输出的波形( a ) 5 6 图5 1 3 虚拟函数发生器输出的波形( a ) 和g f g 8 2 1 0 输出的波形( a ) 5 6 第1 、，页 国防科学技术大学研究生学位论文 本文表格目录 表1 1 各类接口的比较4 表3 1 各个波段的相应数据2 1 表5 1u s b 读取速度与驱动程序一次能够处理的数据量的关系4 6 表5 2u s b 发送速度与驱动程序一次能够处理的数据量的关系4 7 表5 3 不同频率下的t h d 值4 7 表5 4 频率一定不同输出波形幅度下的t h d 值4 8 表5 5 不同频率下的n l 值5 0 表5 6 输出波形幅值一定时不同频率下的上升沿和下降沿5 1 第v 页 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了支中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得凋i 穷科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材科与我一同工作曲辫志对本研究所做的任 何贡献妁已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题哥：光重舅迭暴氧主基至女鳗接娶鲢虞挝煎熬发生墨曲噩劐 学位论文作者签名：毒釜续碹i 甚期：矽f 年红月日 本人完全了解瘸防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向图求有关部门或规构遂交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阌和借阅：可以将学位论文的金都或都分内容编入有关数据 库进行检索。可以采用彩印、缩印或扫描等复捌手段保存、j c 编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 光盘趱基皱生基王竖墨釜曼故崖赵亟熬发生叠数噩捌 学位论文作者鍪名： 作者指导教师签名： 日期：函睥年限月厂日 日期：渺胆月z 日 国防科学技术大学研究生学位论文 第一章绪论 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了 巨大的变化，美国国家仪器公( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 于八十年代中期首先提出基于计算机 技术的虚拟仪器的概念，成为仪器发展史上的一个新的里程碑。 1 1 1 虚拟仪器概述 1 1 虚拟函数发生器简介 虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和( 或) 硬件，使得使用者在操作这台计算机 时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅 是用来解决信号的输入输出，软件提供优化的图形操作界面，任何一个使用者都可以通过 修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之 说。 虚拟仪器的概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合 的产物。它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、 显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等。 1 1 2 虚拟仪器在光电测试系统中的作用 随着光电子技术和计算机技术的发展，光电设备无论是在军事上还是在国民经济中所 占有的比重不断的上升，光电设备充分依托了当代高科技的发展，集高技术于一身。但是 技术含量高、结构复杂的光电设备给开发和调试提出了挑战。光电测试系统正是为适应光 电设备的发展而产生的，对评估和检查光电设备的性能，获取设备工作数据，指导设备开 发有着不可替代的作用。 相对被测试的光电设备，光电测试系统一般由测试输出系统和测试输入系统组成，每 个系统又分别包括不同功能的设备，光电测试系统的层次关系如图1 1 所示。 第1 页 国防科学技术大学研究生学位论文 图i i 光电测试系统的结构 虚拟仪器的出现使得每种测试设备出现了新的分支，它们又可分为模拟仪器和虚拟仪 器两个部分，论文研究的就是模拟信号发生器设备中虚拟仪器部分中的虚拟函数发生器， 它在模拟信号发生器中的关系如图1 2 所示。 ：苫 鬟黧l ! 虚拟仪器 i i 虚拟函数i ；发生器i ；虚拟任意! ：波形发生： ；器i 图1 2 模拟信号发生器的层次结构 虚拟仪器的出现使得光电测试系统在软件的控制下实现测试的自动化，极大的提高了 测试效率和可靠性，提高了光电设备研发的效率。在模拟信号发生器的虚拟仪器部分又包 括虚拟函数发生器和虚拟任意波形发生器，论文研究的目标就是图1 2 中的虚拟函数发生 器。 虽然任意波形的函数发生器可以模拟大多数信号，它是通过取样存储在存储芯片里的 数据，再经d a 转换来输出模拟波形的。这种数字化产生波形的方法必须考虑取样方面的 所有问题，如量化噪声，混淆滤波等等，例如d a c 输出的高次谐波叠加回尼奎斯特带宽， 使它们是不可被滤除的。而输出标准波形的函数发生器由于是使用模拟的方法来产生波 形，所以输出的三种标准波形要比用任意波形发生器的输出波形的失真要小，因此在一些 第2 页 国防科学技术大学研究生学位论文 对波形质量要求较高的场合，虚拟函数发生器有着不可替代的作用。 1 1 3 虚拟函数发生器简介 虚拟函数发生器是在计算机的控制下为被测试系统提供波形信号， 系统提供激励源来检验被测系统的性能。 虚拟函数发生器可以输出正弦波、三角波、方波三种标准的波形， 可以方便的改变输出波形的频率、幅度、偏置电压、占空比四个参数， 的要求。 也就是通过为被测 在计算机的控制下 满足光电设备测试 在虚拟函数发生器与计算机的接口方面，考虑了当今虚拟仪器接口的发展过程的两条 主线： g p i b v x i p x i 总线方式( 适合大型高精度集成系统) ：g p i b 于1 9 7 8 年问世，v x i 于1 9 8 7 年问世，p x i 于1 9 9 7 年问世。 p c 插卡式一并行口式一串口u s b 方式( 适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发 展前景) ：p c 插卡式于8 0 年代初问世，并行口方式于1 9 9 5 年问世，串口u s b 方式于 1 9 9 9 年问世。 基于p c 总线的虚拟仪器由于存在一些不可避免的缺点，如插拔麻烦、扩展槽有限等， 然而外挂式虚拟仪器既具有p c 总线虚拟仪器的优点，同时又克服了p c 总线虚拟仪器的缺 点，这是虚拟仪器发展的一个理想方向。本设计采用了作为当代计算机界软硬件巨头联合 制订的标准并且作为其重要的推广普及对象的u s b 接口技术。 1 2u s b 接口技术简介 随着计算机的广泛应用，微机外设也在不断更新。微机接口是微机某一部件与总线的 联系。它负责主机内外设备问的信息交换。由于外设种类很多，在设计p c 机系统时，就 必须预留出尽可能多的i o 接口，造成系统成本高，外设连接过于繁锁。为了降低成本、 简化设计，各p c 机厂商推出了自己的接口规范，产生了外设总线的概念，它指在提高各 种外设接口的兼容性，同时实现外设的自动识别、配置、即插即用等功能。 u s b 是u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的简称，译为通用串行总线。它是一种外设总线，由i n t e l 、 c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 等几家计算机和通讯公司联合 制定的，现已成为了行业标准，目前，u s b l 1 标准得到了广泛支持。这种支持体现在从 w i n d o w s 操作系统到u s b 接口芯片等一系列软件与硬件产品中。2 0 0 0 年初，u s b 2 0 标准 第3 页 国防科学技术大学研究生学位论文 问世，它以具4 8 0 m b i t s 的传输速率得到了广泛关注，在一定程度上代表了微机接口的发 展趋势。 1 2 1 各类接口技术分析比较 各类接口性能的比较如表1 1 ，从中可以看出使用u s b 接口可以方便的满足大多数用 户的需要。 表1 1 各类接口的比较 接口格式设备数目( 最大值)长度( 最大值，速度( 最大值， f t ) b s ) u s b 异步串行 1 2 71 6 ( 使用5 个1 5 m 、1 2 m ( 在 集线器可达9 62 0 版本可达 英尺)4 8 0 m ) r s 2 3 2 异步串行 25 0 1 0 0 2 0 k ( 有些启动 器是1 1 5 k ) r s 4 8 5 异步串行 3 2 单元负载 小) 0 0 1 0 m s p i 同步串行 81 02 1 m e e 1 3 9 4 串行 6 41 54 0 0 m ( 陆e w i r e ) | e e - 4 8 8 并行 1 58 m 6 0 ( g p m ) 以太网串行 1 0 2 41 6 0 0 1 0 m 1 0 0 m 1 g 并行打印机端口 并行2 或8 ( 支持戴西链) 1 0 3 08 m 根据虚拟仪器及u s b 总线的特点，将二者结合起来构成外挂式u s b 总线虚拟仪器， 将是一种理想的选择。目前市场上外挂式虚拟仪器以并行口虚拟仪器为主。虽然外挂式并 行口虚拟仪器较好地解决了内插式p c 总线虚拟仪器的缺点，但并行口上多个设备的扩展 不太方面，且成本高。而u s b 总线从速度性能方面而言与并行打印机端口相差无几。因此， 用u s b 总线构成外挂式虚拟仪器的速度性能可与并行打印机端口持平，比内插p c 总线虚 拟仪器要略低，能满足各种虚拟仪器的速度要求。除此之外，外挂式u s b 总线虚拟仪器还 具有许多优点，可很好地满足工业测量或一般军事测量的环境要求，可容易地实现完全的 光电隔离，测量系统的改变、扩展非常方便，可带电拔插设备，完全的即插即用等。 第4 页 国防科学技术大学研究生学位论文 1 2 2u s b 接口技术总结 图1 3 星型拓扑结构示意图 u s b 接口技术的特点有： ( 1 ) 通信速度快。目前u s b l 1 协议支持全速1 2 m b s 传输速率，比串口快了十多倍， u s b 2 0 协议已经将4 8 0 m b i t s 的速率推向实用。 ( 2 ) 具有真正的即插即用功能。因为主机操作系统负责扫描总线上的所有接口，自动 识别u s b 设备的插拨，并相应地加载或卸设备驱动程序，这就实现了即插即用功能。 ( 3 ) 具有多设备星型拓扑结构。如图1 3 所示，每个h u b 集线器可向上连接到另一个 h u b 。由于协议中规定使用8 位数据寻址，所以每一个主机最多可连接1 2 7 个设备( 其 中o o 地址用于缺省地址，在设备刚入网或复位时使用) 。 ( 4 ) 总线供电。对于一些小型设备如u s b 鼠标或键盘等，可以用接口内置的5 v 直流 电源，这就方便了用户使用。 ( 5 ) 占用系统资源少。无论多少个设备连接在系统中，主机只给u s b 主机控制分配i o 地址和一个中断向量。 ( 6 ) 具有四种传输方式。每个u s b 控制器芯片都支持命令、等时、中断以及批量四 个传输方式，它们是根据不同应用背景设计的，如等时传输适合于无需检错的音频传输 场合。 第5 页 旦堕型兰垫查查堂堑茎竺兰垡丝苎 第二章虚拟函数发生器的组成及工作原理 2 1 虚拟函数发生器的基本结构 虚拟函数发生器由主机端和设备端组成：主机端包括应用软件和u s b 驱动部分；设备 端包括u s b 接口、m p u 、p l d 、波形发生和模拟电路。它们之间的关系如图2 1 所示。 主机 设备 控制电路 u s b p l d iah 叫 h 波形发生 应用软u s b 驱 nv u s b 接 件 + l m u 动 口 图2 1 虚拟函数发生器的基本结构 2 2 虚拟函数发生器工作原理简介 虚拟函数发生器在主机端是通过应用软件实现仪器的操作控制，设备端主要是通过具 体的硬件电路来实现满足要求的波形信号。 主机端的应用软件通过驱动程序控制底层的硬件设备，通过u s b 向设备端发送或获取 数据和指令。 设备端m p u 部分负责根据主机端传来的指令在p l d 的逻辑控制下实现对波形发生部 分和波形处理部分进行控制，最后得到满足要求的波形信号。由上所述，本虚拟函数发生 器能够通过对主机端应用软件的控制实现对硬件输出波形的调整与控制，满足了一般应用 的需要。 第6 页 国防科学技术大学研究生学位论文 第三章硬件设计 3 1u s b 通信接口设计 u s b 通信协议比较复杂，需要有专门的控制芯片来完成数据传输任务，现在各大厂商 纷纷推出了有自己特色的使用方便的u s b 控制芯片，极大的方便了u s b 设备的开发。 3 1 1 设备端u s b 控制芯片的选择 在进行一个u s b 设备开发之前，首先要根据具体的使用要求选择合适的u s b 控制器。 目前，市场上供应的u s b 控制器主要有两种：带u s b 接口的单片机( m c u ) 和纯粹的u s b 接口芯片。 带u s b 接口的单片机从应用上又可以分成两类，一类是从底层设计专用于u s b 控制 的单片机，比如c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 3 5 1 3 ( 低速) 、c y 7 c 6 4 0 1 3 ( 全速) ，但由于价格、 开发工具以及单片机性能有限等问题，所以一般不推荐选用。另一类是增加了u s b 接口的 普通单片机，例如i n t e l 公司的8 x 9 3 1 ( 基于8 0 5 1 ) 、8 x 9 3 0 ( 基于高速、增强的8 0 5 1 ) 、 c y p r e s s 公司的e z - - u s b ( 基于8 0 5 1 ) ，选择这类u s b 控制器的最大好处在于开发者对系统 结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，但对于简单或低成本系统，价格高将会是最大的 障碍，一般来说，后者的价格是前者价格的1 0 倍。 是纯粹的u s b 接口芯片仅处理u s b 通信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理 和数据交换。典型产品有p h i l i p s 公司的p d i u s b d l l ( 1 2 c 接口) 、p d i u s b d l 2 ( 并行接口) ， n s 公司的u s b n 9 6 0 3 9 6 0 4 ( 并行接口) ，n e t c h i p 公司的n e t 2 8 8 8 等。u s b 接口芯片的主 要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高，尤其适合于产品的改型设计( 硬件上仅需对并 行总线和中断进行改动，软件则需要增加微处理器的u s b 中断处理数据、交换程序和p c 机的u s b 接口通信程序，无需对原有产品系统结构作很大的改动) 。 由于使用前面的两种u s b 控制芯片需要购买专门的编程器，而且其内部所集成的微 控制器并不能满足本设计硬件的需要。使用第三种u s b 接口芯片只是相当于为设备端的微 控制器增加了一个外设，只需要在微控制器中编写相应的控制代码，就可以方便、灵活的 实现u s b 接口功能，本设计中采用了连接到一般微控制器的芯片中较流行的n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r 公司的u s b n 9 6 0 4 作为硬件设备的u s b 接口芯片。 第7 页 国防科学技术大学研究生学位论文 3 1 2u s b n 9 6 0 4 芯片简介 u s b n 9 6 0 4 的结构框图和s o i c - 2 8 封装的芯片引脚分配如图3 1 。 l勰 22 7 32 6 |2 5 62 4 62 3 ， 相巾i ns a2 2 b2 92 0 1 01 9 1 1 1 8 1 21 7 1 31 6 1 毒 1 5 图3 1u s b n 9 6 0 4 的结构框图及芯片引脚分配 u s b n 9 6 0 4 芯片的包括： 一个高速收发器( t r a n s c e i v e r ) 一个电压调节器( v r e g ) 串行接口引擎( s ) 端点控制f i f o 微控制器接口 3 1 3 用u s b n 9 6 0 4 芯片开发i j s b 通信接口的方法 一、i j s b n 9 6 0 4 控制芯片的应用设计 下面将详细介绍怎样在设计中用u s b n 9 6 0 4 实现u s b 接口的数据传输。因为u s b 接 口总线只用两根数据线实现高达1 2 mb i t s 的数据传输速率，而且实现即插即用、电源管理 等复杂的功能，这就要求u s b 控制器实现复杂的协议标准。所以在本设计中必须要全面的 实现u s b n 9 6 0 4 的各种控制以及与其它各个模块的配合。 1 、 数据传输模式的选择 u s b 总线共有四种传输模式：控制传输，批量传输，中断传输和等时传输： 控制传输一般用于发送与设备的能力和配置有关的请求和数据，多在主机列举u s b 设 备时应用。 第8 受 坩， 轴酣 。玎 一删一一撇汕*辨啪一吖 国防科学技术大学研究生学位论文 批量传输对传输时间要求不严格的数据传输是很有用的，使用方便，传输速度快。 中断传输多用于在一个规定的时间里传输一个中等数量的数据，如u s b 鼠标、键盘等。 等时传输是信息流的实时传输，对数据必须以一个恒定的速率或在规定的时间内传输 是很有用的，如编码要实时播放的声音和音乐。 本设计采用的是批量传输。 2 、芯片接口模式 在系统中采用双工并行接口模式，这种接口模式可以方便的实现u s b n 9 6 0 4 芯片 与微控制器的接口，u s b n 9 6 0 4 的接口模式由两个模式选择输入信号m o d e l 、 m o d e 0 控制。通过使m o d e l - - 0 、m o d e 0 = i 设置u s b n 9 6 0 4 芯片的接口模式为双 工并行接口模式。 3 、时钟电路的选择 u s b n 9 6 0 4 有两个引脚x i n 和x o u t ，用于输入系统的时钟信号。系统的时钟可 以有两种实现方式：第一种是把一个2 4 m h z 的三次谐波晶振输入到x 矾和x o u t ， 内部的晶体振荡器倍频这个2 4 m h z 的晶振实现系统的时钟；第二种方法是直接把稳 定的2 4 m h z 时钟信号输入到x i n 引脚，x o u t 引脚保持悬空。因为第一种要求外部 的电容、电感等元器件具有非常高的精度，才能满足内部时钟的要求，实现起来很麻 烦，所以在系统中采用第二种方式，选用2 4 m h z 卧式晶振作为时钟信号，同时在系 统的布线时，使得2 4 m h z 卧式晶振的输出信号在最短的走线情况下输入到u s b n 9 6 0 4 的x i n 输入端，减少时钟信号在电路中受干扰的概率。 4 、u s b 控制器的总线输出 u s b n 9 6 0 4 的接口总线输出引脚d + 、d ，通过u s b 电缆与主板上的u s b 根控制 器的d + 、d 总线相连。为了实现u s b 总线的信号全速传输，d + 端口需要外接一个 1 5 k 的上拉电阻到5 v 。因为u s b 总线标准依靠d + 和d 一总线上的电势差的信号实现 数据的高速传输，因此为了保证d + 和d 上信号的稳定性，需要把硬件电路板上的地 线与u s b 总线电缆上的地线连接在一起。 二、u s b 控制芯片与微控制器的接口设计 如图3 2 为微控制器与u s b 控制器u s b n 9 6 0 4 的基本控制关系框图。 第9 页 国防科学技术大学研究生学位论文 图3 2 单片机对u s b 控制器的基本控制框图 微控制器与u s b 控制器u s b n 9 6 0 4 之间的数据传输是通过中断的方式进行的。它们 之间的数据传输流程在软件部分介绍，微控制器将数据存到f i f o 中，再设置相应的发送 使能位，使设备在主机请求接收数据的时候把数据传到主机，u s b 控制器通过中断方式通 知单片机数据已经发给主机。当主机发送数据到u s b n 9 6 0 4 时，如果单片机设置了 u s b n 9 6 0 4 芯片的接收使能位，主机发来的数据就将被保留在u s b n 9 6 0 4 芯片内部相应的 接收f i f o 中，然后u s b n