（机械电子工程专业论文）基于usb和以太网的数据采集系统的设计.pdf

西华大学硕士学位论文 基于u s b 和以太网的数据采集系统的设计 机械电子工程专业 研究生荆蕾指导教师黄惟公 随着电子技术的发展和社会需求标准的不断提高，计算机及其外围设备在 追求高速度和高通用性中不断进步。电子行业的发展也为数据采集系统的发展 打下了很好的基础。数据采集作为工业上最普遍使用的环节也在不断的发展着。 本文所研究的数据采集系统结合了u s b 技术、嵌入式技术( a n n + l i n u x ) 、 以太网s o c k e t 技术等，开发了一套数据采集系统。采集的信号，经过c p u 处 理后通过u s b 总线传输到a r m l i n u x 平台，或者本地p c 机，实现本地监测。 又可以通过以太网传输采集的数据量到远程p c 机，实现远端用户通过i n t c r n c t 对数据采集卡进行访问与监测。 论文的主要内容和成果有： 1 、研究了u s b 的建立方法、通讯规则等内容，研制了u s b 数据采样样机。 2 、研究了嵌入式l i m l x 操作系统下的u s b 设备驱动程序的开发，并结合 到设计中，设计了u s b 设备驱动程序。 3 、研究了嵌入式l i n u x 操作系统下网络通讯方法，编写了网络服务器和客 户端相关程序。 4 、研究了嵌入式l i n u x 下的g u i 界面的开发环境q t ，并开发了基于q t 的图形界面，作为嵌入式平台上控制数据采集卡硬件的软件接口，并阐述了 q t e 开发的方法步骤等内容。 5 、开发基于p c 的网络客户端，请求服务器上采集的数据。并在p c 上以 友好的图形界面展示给用户。 关键词：数据采集，u s b ，以太网，a r m l i n u x ，q t ，c y 7 c 6 8 0 1 3 西华大学硕士学位论文 d e s i g no fd a t as a m p l i n gs y s t e m b a s e do i lu s ba n de t h e m e t m a j o r ；m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：j i n gl e is u p e r v i s o r ：h u a n gw e i g o n g c o m p u t e ra n di t sp e r i p h e r a le q u i p m e n tm a d eg r e a tp r o g r e s s t o w a r d sh i g h s p e e da n dg e n e r a lu s e sa l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n d n e e d so fs o c i e t y a st h em o s tw i d e s p r e a dp a r t s ，d a t as a m p l i n gs y s t e md e v e l o p e d c o n t i n u a l l y i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rd e s i g n e dad a t as a m p l i n gs y s t e m ，w h i c hu s e du s b t e c h n o l o g y , a r m - l i n u xt e c h n o l o g y ，s o c k e tt e c h n o l o g ya n ds oo n t h i ss y s t e ms a m p l e s v o l t a g es i g n a l ，a f t e ra n a l y s i sa n dt r a n s f o r m ，t r a n s f e r r e dd a t at oa r m l i n u xp l a t f o r m t h r o u g h u s b p o r t ，a n d a l s o t o r e m o t ep c t h r o u g h e t h e m e t r e m o t e - i n d i c a t i o n , w a t c h i n ga n dc o n t r o li nl o c a l ea r e aa r er e a l i z e d t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： a n a l y s i s t h e s e t u p m e t h o da n dr u l e so fc o m m u n i c a t i o no fu s b t r a n s f e r d e s i g n e da nu s bs a m p l i n gs y s t e m s t u d yu s bd e v i c ed r i v e ro ne m b e d d e di i n u xp l a t f o r m ，a n dd e s i g n e da u s bd e v i c ed r i v e rf o rs a m p l i n gd e v i c e s t u d yt h em e t h o do fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o no ne m b e d e dl i n u x s y s t e m ，w r i t es e l n e ra n dc l i e n tp r o g r a m s t u d yq t , ag u id e v e l o p m e n te n v i r m e n t ，a n dd e v e l o p e dg r a p h i c a l i n t e r f a c e sb a s eo i lq t ，a ss o f t w a r ei n t e r f a c eo i le m b e d d e dp l a t f o r mb e t w e e n h a r d w a r ec o n t r o h i n ga n du s e r a n de x p l a i nt 矗em e t h o do fd e v e l o po t e 。 d e v e l o pn e t w o r kc l i e n t ，q u e r y i n gd a t af r o ms e r v e ra n de , i wu s e a w e l l i n t e r f a c e k e y w o r d s ：d a t as a m p l i n g , u s b ，e t h e r n e t ，a r m l l n u x , q t , c y 7 c 6 8 0 1 3 t t 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文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 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：朝鼋 御年多月弘日 导师签名：由仁公沙9 年f 月 7 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 数据采集技术的发展 我们生活在一个五彩缤纷的模拟世界，而在数字化高速发展的今天，如何 将模拟的信号转化到数字领域显得尤其重要，这就需要数据采集技术。 数据采集技术起始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 6 年美国首先研究了用在军事上 的测试系统，得到初步的认可。大约在6 0 年代后期，国外就有成套的数据采集 设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展， 开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。而在8 0 年代后期，数据采集系统 发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管 理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军 事、航空电子设备以及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路技术、 制造技术水平的不断提高，出现了具有高性能、高可靠性的单片数据采集系统 ( d a s ) 。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应 用。在这一阶段，并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展， 典型的系统有 v x i 总线系统，p c i 、p x i 总线系统等，数据位已达到3 2 位总线 宽度，采样频率高达1 0 0 m s p s 。由于采用高密度、屏蔽型、针孔式的连接器和 卡式模块，可以充分保证其稳定性以及可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自 动化领域普及的一个重要因素。但是并行总线系统在军事等领域取得了成功的 应用。 串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断 提高。数据采集系统物理层通信由于采用r s 4 8 5 、双绞线、电力载波、无线和 光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。在工业现场数据采集和控制等众多 领域得到了广泛的应用。由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网， 车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地联结在一起，可以有效地把多 台数据采集设备联系在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控【1 1 。 以太网在企业的管理层应用较多，但是在底层的设备控制层以太网的应用 刚刚起步。究其原因在于以太网协议中的c s 帅触l 制。这一机制使得以太 西华大学硕士学位论文 网本质上不是实时的。而且，由于冲突的存在使得以太网具有不确定性，甚至 由于频繁的碰撞，导致最终某些节点抛弃当前的数据帧，使可靠性下降。 然而随着技术的发展，以太网标准在过去五年中，特别是在确定性、速度 和优先法则方面有了很大提高。以太网越来越能够满足工业应用的需要。现场 总线的通信功能完全可由以太网较好地完成。最近几年，交换式以太网技术的 出现大大地提高了以太网的确定性。利用交换技术，可以将一个较大的网络分 隔成为各个相对独立的冲突域，冲突只能在一个相对较小的区域内发生，这样 大大地减小了冲突发生的概率，从而提高了网络的确定性和实时性。在与传统 现场总线的对比测试中，以太网显示出了明显的优势。使其能够胜任数据采集 和控制对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求，以太网已被证明是未来数据 采集和控制网络的最佳解决方案。其应用于现场设备控制层是控制网络发展的 趋势。并将极大地促进信息从传感器到管理层的集成。 数据采集是整个工厂自动化的最前端，测试精度、速度与实现该功能的成 本是几个重要因素。高速、实时数据采集在运动控制、爆炸检测、医疗设备、 快速生产过程和变电站自动化等领域都有非常重要的应用。这些行业中对高速 数据采集的需求远远超过目前实际可以实现的程度，用户的需求促进了技术的 发展和新产品的出现。因此，高速数据采集仍然会有长足的发展。 1 2u s b 技术的发展 自从上世纪九十年代中期出现以来，通用串行总线( u s b ) 被广泛应用于 许多产品，从精巧的逻辑分析仪、结实的瑞士军刀到u s b 鱼缸，之所以应用越 来越广，越来越方便，究其原因在于u s b 规范的推广。 u s b 规范包含所有的低层描述，这让终端用户可以很方便的使用u s b ，目 前，u s b 有三种速度可以选择：高速衄g h s p e e d ) 1 4 8 0 m b p s 、全速 ( f u l l s p e e d ) 1 2 m b p s 、低速( 1 0 w s p e e d ) 1 5 m b p s 。所有速度的设备都支持动态插拔， 最多可以连接1 2 7 个设备。速度之间的主要差别是系统成本，速度越高，成本 越高。全速和低速设备由u s b l 1 支持，u s b 2 0 规范把外设数据传输速度提高 到了4 8 0 m b p s ，是u s b1 1 ( 1 2 m b p s ) 设备的4 0 倍! 如此高的速度，即使是应 用在多媒体中也毫不逊色。而且不用担心多个设备连接到u s b 端口上会有瓶颈 2 西华大学硕士学位论文 制约。 据国外媒体报道，英特尔、微软、惠普、德仪、n e c 和n x p 等u s b3 0 工作组成员计划发布u s b3 0 技术，其数据传输速度是当前u s b2 0 的十倍之 多。而相关产品有望于2 0 0 9 或2 0 1 0 年上市。u s b3 0 可达到4 8g b p s 。当然， 很多设备不需要如此高的速率，但硬盘和读卡器等设备对速度的要求还是很高 的。与u s b2 0 相比，u s b3 0 将更加节能。此外，u s b3 0 是向下兼容的， 支持u s b2 0 设备。 u s b 技术的发展，使得p c 和周边设备能够通过简单、低成本的方式连接， 在p c 的控制下进行数据交换。但这种方便的交换方式，一旦离开了p c ，各设 备间就无法利用u s b 口进行操作，因为没有一个从设备能够充当p c 一样的 h o s t ，而有了u s b o t g 技术，可以完全脱离开p c 。u s b o t g 是u s bo n t h e g o 的缩写，是近年发展起来的技术，2 0 0 1 年1 2 月1 8 日由u s bi m p l e m e n t e r sf o r u m 公布，主要应用于各种不同的设备或移动设备间的连接，进行数据交换。例如 数码相机直接连接到打印机上，通过u s b o t g 技术，连接两台设备问的u s b 口，将拍出的相片立即打印出来；也可以将数码照相机中的数据，通过u s b o t g 发送到u s b 接口的移动硬盘上，这样，在野外操作时就不用携带价格昂贵的存 储卡，或者背一个便携电脑。u s b o t g 实际上是u s bl m p l e m e n t e r sf o r u m 对 于传统u s b 的一个追加协议，最新版本的u s b o t g 直接建立在u s b2 0 基础 之上，通过修改u s b 接口的针脚定义和接口外形，可以将u s b o t g 根据厂商 的需要定义为主控、从属和双重角色的不同身份。 1 3 嵌入式系统的发展 嵌入式系统无疑是当今最热门的概念之一，它一般包括嵌入式微处理器、 外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户的应用程序等四个部分。嵌入式系统最 明显的优势是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。嵌入式系统被定义为： 以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进 的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物， 这一点就决定了他必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知 3 西华大学硕士学位论文 识集成系统。 进入后p c 时代，微电子技术的迅猛发展，使得处理器的增长速度也随之 加快，嵌入式系统领域发生了翻天覆地的变化。特别是网络的普及，嵌入式和 互联网成了最热门的技术。现在可以使嵌入式系统具备网络功能，并将它们与 i n t e m e t 或企业内联网连接起来。这种特性增强了嵌入式多方面的实用性。 美国著名的未来学家尼葛洛庞帝在2 0 0 1 年访华时曾预言，4 5 年后，嵌 入式智能电脑将是继p c 和i n t c r n c t 后的最伟大发明。的确，在当今社会中，嵌 入式系统已经广泛渗透到了人们工作、生活中的各个领域，嵌入式处理器已占 分散处理器市场份额的9 4 t 1 8 l 。 与此同时，嵌入式l i n u x 操作系统也在嵌入式领域中蓬勃发展，它不仅继 承了i a n u x 源码开放、内核稳定高效、软件丰富等优势，而且还具备支持广泛 的处理器结构和硬件平台、占有空间小、成本低廉、结构紧凑等特点。v e n t u r e d e v e l o p m e n tc o r p o r a t i o n ( v d c ) 公司完成了一份关于嵌入式操作系统市场的 调查报告，调查显示有1 8 的工程师在使用l i n u x 进行相关的嵌入式开发，占 有率第一。在调查报告中v d c 集团列举了几项l i n u x 受欢迎的主要原因： 1 在操作系统许可证费用方面的优势。 2 代码的优良可扩展性。 3 用户对此系统的熟悉程度 4 操作系统的成熟和丰富的应用程序 5 开发者对嵌入式l i n u x 开发经验的日益丰富 6 日益统一的l i n u x 标准 据v d c 的报告显示，嵌入式l i n u x 在未来两年将占嵌入式操作系统市场份 额的5 0 ，约3 4 6 亿美元，由此产生的应用市场前景更是不可估量【1 8 1 。 嵌入式系统的应用按照市场领域划分，可以分为：消费类电子产品、控制 系统和工业自动化、机器人领域、数据无线通信等。尽管嵌入式产品层出不穷， 发展势头迅猛，但仍需要我们研究探索。 1 4 课题来源、主要内容及研究意义 本科题来源于四川省重点学科建设子项目。 4 西华大学硕士学位论文 本文通过对u s b 通讯、以太网通讯和嵌入式的学习，开发了一套基于u s b 和以太网的数据采集系统。该系统能够采集o 以5 v 的电压信号量，然后通过 u s b 接口将处理了的采样信号传输到嵌入式平台，并且可以通过以太网传输到 远程p c 机。本论文主要研究了下列内容： 研究了u s b 传输的建立方法，开发带有u s b 接口的数据采集卡。选 用c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 作为数据采集卡设备的c p u ，实现采 集卡作为u s b 设备的功能。 安装p c 机l i n u x 操作系统和嵌入式系统里的嵌入式l i n u x 内核，并建 立起开发所需要的软件环境。研究了l i n u x 下u s b 设备驱动程序的结 构和实现方法，使用c 语言开发基于l i n u x 下的u s b 数据采集卡设备 的驱动程序，并移植到嵌入式系统平台。 开发基于o t 的应用软件，使在嵌入式环境下显示友好的人机界面， 并将该软件发布到o t o p i a 。展示给用户系统工作的结果，并提供给用 户控制任务执行的接口。 开发基于q t 的简单网络服务器，能够监听端口8 0 8 0 ，用在嵌入式系 统中，供远程客户端访问调度。 开发基于p c 的网络客户端，请求服务器上采集的数据。并在p c 上以 友好的图形界面展示给用户。 一个良好的高速数据采集系统受很多方面的制约，例如采样的频率、a d 的精度、传输的速度和平台通用性等等。 对于前两个方面，我们主要依靠采用高性能a d 和改变采集卡c p u 对采样 的控制方式和采样信号的处理方式来解决。设计中使用了c y p r e s s 公司的 e z - u s bf x 2 系列芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 。这款芯片有g p i f ( g e n e r a l p r o g r a m m a b l e i n t e r f a c e ) 模式，可以提供高速的数字逻辑信号给外围设备( 这里给a d ) ，该模 式不受c p u 控制，是独立于c p u 存在的。这就克服了c p u 对于高速采样的瓶 颈约束，提高了对采样频率的控制能力。对于高性能a d ，文中采用了a n a l o g d e v i c e s 公司的a d 7 4 9 2 ，该芯片采样可以达到1 m s p s ，是1 2 位并行的持续逼 近型高速模数转换芯片。 对于提高传输速度，则是本论文中采用u s b 的主要原因。按照传统的方法， 通常会采用串口、并口等传输，但是这些接口和u s b 接口相比，弱势非常明显， 5 西华大学硕士学位论文 不仅传输速度慢，而且对于每一台上位机只能够接入几个采集卡，具体个数要 依赖于p c 机上的串口和并口的个数。通常在工业场合空间都非常有限，而且 工业应用上对成本的控制也相对比较严格。采用一台上位机接一个或者几个采 集卡，如果采样点较多，在空间上就要增加很多的上位机，成本上也相应的增 加了上位机的花销。而使用u s b 可以很好的解决这个问题。u s b 接口可以用 集线器扩展为多个接口，这样一个上位机可以接入若干个u s b 采集设备，这几 个设备之间却不会互相影响。u s b 传输速度也是一个很大的优势，即使是 u s b l 1 也是1 2 m b p s 的速度。目前多用的u s b 2 0 已经达到4 8 0 m b p s ，足够 传输采集信号使用，即使用在视频传输中这样的速度都毫不逊色。u s b 还支持 即插即用，不用因为接入一个采集设备而重新启动主机、重新启动其他的采样 设备。选择u s b 还有一个重要的原因，就是电源问题，上位机可以直接给u s b 采集卡供电，不用单独为采集卡接电源。 基于以上的原因，本设计中采用了u s b 技术设计数据采集系统，为了能够 实现远程监控，也同时使用了以太网技术。既可以提高传输速度，还能够节约 使用现场的空间。解决了传统采集系统所不能解决的问题。 以太网的使用，也使现场采集的数据可以通过商业以太网传输，借助于庞 大的商业以太网系统实现了该系统的远程监控。当然，目前这样的实现方法还 不够完善，商业以太网毕竟有其自身的劣势，但是随着网络传输速度的提高、 各种传输协议的改进和工业现场硬件条件的改善，这点也将不会存在太大的问 题，借助于强大的商业以太网发展工业以太网，将工业以太网和商业以太网进 一步融合也将是个必然的趋势。 本设计还有一个比较重要的意义，就是为仪表的开发提供通用的平台。未 来的仪器仪表中使用u s b 传输方式和以太网功能已经是个不可回避的发展趋 势。而本设计就为这种仪表的开发提供了通用的解决方案。在本设计中也非常 注重加强系统的通用性和可扩展性。例如键盘、显示、i o 口的扩展等等。这些 都是在标准的仪表中必须具备的功能。 6 西华大学硕士学位论文 2 系统总体设计 本文设计了基于u s b 和以太网的高速数据采集系统，系统总体框图如图 2 1 所示。 卜脯号吲信号调理和限幅电路酬柚并褓集v 雠c p u 射 驱动程 序模块a r m - l d r 远程p c 客户端| 网络 平台 服务器 f i g u r e2 1g e n e r a ls t r u c t u r e 图2 1 总体框图 输入信号经过调理接入a d ，由采集卡的c p u 定时器控制启动a d 采样， 由g p i f 模式控制a d 采样的时序，并且将采集到的结果存放入寄存器中。然 后通过c p u 提供的u s b 接口与上位机连接。截止到图2 1 中c p u 部分，框图 前面的部分是数据采集卡的结构。 数据采集卡部分的最大特点是使用了e z - u s bf x 2 系列芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的g p i f 模式。该芯片是业界第一个支持u s b 2 0 ，同时向下兼容u s b l 1 规范 的单片机，它既负责u s b 事务处理也兼具微处理器的控制功能，是一款性能较 高的u s b 2 0 微控制器。e z u s bf x 2 的单芯片内有u s b 2 0 物理层电路和基于 该公司的e z - u s bf x 结构的8 0 5 1 单片机，用该芯片开发u s b 外设有一定的优 势，它既考虑了要获得所需的高性能i o ，又要保持高速率，优势体现在性能、 灵活性和价格等方面，f x 2 部件的特点之一是采用低价的8 0 5 1 单片机，仍然 能够获得很高的速度。至于灵活性则体现在u s b 的g p i f 能为特定的应用接口 编程阅。 采集到的信号要传送到上位机上，并用波形的形式显示给用户。上位机可 以使用p c ，也可以使用a r m 平台，本文中使用了后者。因为从性价比的角度 考虑，a r m 平台远远优于p c 机。首先采集卡做为u s b 设备要和a r m 平台接 口，需要设计适合该采集卡的设备驱动程序，作为上位机控制采集卡的低层软 件接口。该驱动程序使用l i n u x 下c 语言开发，可以使用在p c 机的l i n u x 系统下，也可以移植到a r m 平台的嵌入式l i n u x 系统下。驱动程序中实现硬 件操作的几个必需函数，以供上层应用程序借助文件系统函数调用控制硬件。 也需要完成驱动自身向操作系统内核注册的任务。也就是说驱动是嵌入式平台 7 西华大学硕士学位论文 上操作系统内核和应用程序之间的连接部分。和操作系统的连接是通过底层 a p i 函数，和应用程序连接是通过文件系统的a p i 函数。 其次，需要开发基于a r m l i n u x 的可视化图形界面应用程序，在该程序 中主要完成下面的功能：1 、通过文件系统a p i 接口操作驱动程序，进一步控 制u s b 数据采集卡设备。2 、作为网络服务器，监听8 0 8 0 端口，供远程p c 机 访问来获取本地数据。3 、使用波形显示控件，将采集到的数据以波形的形式展 示给用户。以上这两个部分是本文中的重点。 远程p c 机上要设计一个简单的c l i e n t ，通过网络访问a r m l i n u x 平台， 请求该平台上的数据，并将这些数据以图形的形式展示给远程用户。 论文从软件、硬件两个方面出发，研究了基于a r m l i n u x 平台和 c y 7 c 6 8 0 1 3 的高速数据采集系统。 软件方面，主要涉及到四个方面：一是对用c y 7 c 6 8 0 1 3 做c p u 的数据采 集卡的固件设计和应用程序设计。c y p r e s s 公司为其旗下的产品做了很好的 技术支持，例如对该款芯片提供了完善的固件架构。用户的应用只要在此固件 基础上开发即可。上手比较容易，大大缩减了开发周期。二是针对数据采集卡 设计基于a r m l i n u x 的u s b 设备驱动程序。三是基于a r m l i n u x 平台， 移植嵌入式i 舢x 到a r m 平台，然后为提供给用户可视化界面设计应用程序。 四是远程p c 上通过以太网采集的应用程序的设计。 硬件方面主要涉及到两个方面，一是数据采集卡的硬件设计；二是 a r m l i n u x 平台的硬件设计( 在这里采用的是博创公司提供的a r m 开发箱) 。 8 西华大学硕士学位论文 3 数据采集卡的设计 3 1 数据采集卡功能 该数据采集卡通用性比较强，可以应用到许多场合。主要功能如下： 1 、采集0 - 2 5 v 的电压信号量，当然作为数据采集卡，这是最主要的功能。 使用了g p i f 模式为a d 提供控制逻辑，为数据采集提供了一个通用的方法。如 果采集其它信号量只需要更换a d 的型号即可。控制逻辑和控制方法无需大的改 动。 2 、有u s b 接口，在这里用做u s b 通讯传输数据给p c 机或嵌入式系统。提供 了单片机和嵌入式平台间u s b 通信的通用结构。可以取代传统的串口通讯，用 这种高速的通讯方式和嵌入式平台连接。 3 、扩展了i o n ，可以用在需要i o 控制的场合。例如电机的控制，l e d 的 控制等等。也可以在调试期间测试程序流程使用。 4 、有键盘和数字l c d 显示器。这些功能都是仪表中必须具备的，本设计给 出了这些功能的设计方法和结果，应用到仪表的设计中，这些可以很方便的套 用。 总体来说，该数据采集卡完成的不仅仅是一个数据采集的功能，而在于为 以后的设计提供详细的设计基础和平台。这些功能都可以方便的移植到以后的 仪表设计中。 3 2 数据采集卡总体设计 u s b 设备的设计一般有两种方法，一是使用分立u s b 接口芯片，例如p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 ；一种是使用带有u s b 控制器的芯片，例如本例中使用的 c y 7 c 6 8 0 1 3 。本例中选择使用这款芯片，因为其u s b 功能强大，集成度高，内 部有微处理器、r a m 、s i e ( 串行接口引擎) 等多个功能模块，从而减少了多 个芯片接口部分需要时序配合的麻烦。具有易用的软件开发工具和官方的开发 包，可加快开发的速度。 c y 7 c 6 8 0 1 3 属于e z - u s bf x 2 系列，架构图如图3 1 所示： 9 西华大学硕士学位论文 u s b 接 程序数据r a m 口 c p u ( 增强 8 0 5 1 ) d + 莎串行接 争据输共 从f 皿o g p 球 ( 口引擎 ，1 s n刭 f i g u r e3 1a r c h i t e c t u r eo fe z - u bf x 2 ， 图3 1e z - u s b f x 2 架构图 f x 2 集所有u s b 外围要求的特点于一身，为外围提供d + 、d 两条u s b 连接线，s i e ( 串行接口引擎) 对串行数据编、解码，并进行错误校验、位填充 和其他u s b 传输的信号级任务。最终将串行数据变为并行数据与u s bi n t e r f a c e 间通讯。s i e 操作在全速和高速模式，为了增加u s b 2 0 的带宽，端点f i f o 和 从f i f o 是一致的，这样可以节省内部数据传输时间。c p u 是增强的8 0 5 1 内核， 使用内部r a m 来存储程序和数据。c p u 在u s b 通讯中的角色是双重的，第一， 通过控制端点服务主机请求，实施高速u s b 协议。第二，可以使用普通的8 0 5 1 功能。对u s b 通讯来说，5 1 内核的功能只是简单的配置接口，监控传输，本 身并不会参与到传输中，因为5 1 的速度和高速的u s b 速度差的很远，用在传 输中会形成瓶颈。 数据采集卡的总体框图如图3 2 所示，输入信号是o 以5 v 的电压信号量， 需要经过限压、滤波等处理，然后直接输入到a d c 的玳引脚( 板上的玳引 脚端子) 。a d 转换的启停等控制由c p u 完成，转换时序由g p i f 控制器控制。 c p u 的g p i f 方式以查询的形式检测a d c 的b u s y 引脚，向g p i f 控制器报告 信号采集的状态。为了达到改变采样频率的目的，利用定时器按照采样频率要 求控制c p u 的i o 端口，进而控制g p i f 流程的启停。一次采集流程结束后会 自动保存采集上来的数据到寄存器中，然后c p u 处理寄存器中的数据并送到 u s b 输出缓冲区便可输出至u s b 端口。关于g p i f 请参照软件设计部分。 卜h 仰转换h 黼h 啪输出 f i g u r e 3 2g e n e r a la r c h i t e c t u r eo fd a t as a m p l i n gc a r d 图3 2 数据采集卡的总体框图 1 0 西华大学硕士学位论文 3 3 数据采集卡的硬件设计 3 3 1a d 转换部分硬件设计 该设计中使用了a d 7 4 9 2 作为主采样器件，这是一款1 2 位高速，低功耗， 持续逼近型a d c ，操作电压2 7 v 5 2 5 v ，设计中使用了5 v 单电源供电，采 样频率高达1 m s p s ，内部有低噪音、宽带宽的跟踪保持放大电路，可以处理的 带宽达到1 0 m h z i 引。该芯片功能框图如图3 3 所示。 n a 日船口q 嘲 f i g u r e3 3f u n c t i o nm a po f a d 7 4 9 2 图3 3a d 7 4 9 2 功能框图 a d 7 4 9 2 很容易与微处理器或d s p 接口。输入信号从c o n v s t 的下降沿 开始被采样，转换也从此点启动。忙( b u s y ) 信号线在转换起始时为高电平， 8 8 0 n s 后跳变为低电平以表示转换结束。没有与此过程相关的管线延时。转换 结果是借助标准c s 和r d 信号从一个高速并行接口存取的。a d 7 4 9 2 采用先 进的技术来获得高数据通过率下的低功耗。在5 v 电压下，速度为1 m s p s 时， 平均电流仅为1 7 2 m a ；它还可对可变电压数据通过率进行管理。在5 v 供电 电压和5 0 0 k s p s 数据通过率下的消耗电流为1 2 4 m a 。 这款芯片可以操作在全休眠模式或者部分休眠模式，在转化结束后，芯片 自动进入休眠模式以减小高速时的功耗，休眠模式可以通过p s f s 引脚选择。 模拟输入的范围在0 一r e fi n 之间，内部提供2 5 v 的参考电压，转化速率 踟嗽 雨一 西华大学硕士学位论文 由内部时钟决定，电路连接如图3 4 所示： 嫩5 f i g u r e3 4c o n n e c t i o no f a d c sp e r i p h e r y 图3 4a d c 外围接线图 a d 的输入为0 2 5 v 单极性电压。r e f o u t 引脚接有最小1 0 0 n f 的电容， 以稳定内部参考电压值。通常上电后第一次转化执行一次假读，因为这次的转 化结果可能并不正确。v d r i v e r 引脚的值决定了输入和输出逻辑信号的电平，这 里v d r i v e r 引脚被连接到d v d d ，所以逻辑输入电压可以在0 v - - 一d v d d 范围内。 这个特点使得a d 7 4 9 2 可以和3 v 的元件接口，也可以和5 v 的元件接口。操作 的时序图如图3 5 所示： f i g u r e3 5s c h e d u l em a p o fs a m p l i n g 图3 5 采集数据时序图 1 2 一 一 露 面 陬 拳 西华大学硕士学位论文 c p u 负责控制a d 的启动、停止和读取采集数据等工作。设计中使用了 g p i f 模式，由a d 的连接图可以看出，6 8 0 1 3 的c r l 引脚、r d y 引脚和a d 直接连接，对a d 的时序进行控制。c o n v s t 脚接到p a 7 ( 6 8 0 1 3 的i o a 7 ) ， 用于控制采样的启停，从而可以控制采样频率。c t l 、r d y 引脚的行为由g p i f 控制。 通用可编程接口控制器g p i f 已整合到了c p u 内核中，由硬件提供底层支 持；软件上有配套的g p i f 设计工具g p i fd e s i g n e r ，可以以图形方式设计，然 后直接生成g p i f c 文件，是个简单易用的开发工具。g p i f 是一个灵活的8 位或 者1 6 位并行端口，可以使f x 2 输出和外部芯片之间无缝连接。 3 3 2c p u 与e e p r o m 的接口 q 强d 2 毒乙e 毒 f i g u r e3 6c o n n e c t i o no fe e p r o m sp e r i p h e r y 图3 6e e p r o m 外围接线图 c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片本身不带r o m ，所以扩展一片6 4 k b i t 的i 2 c 串行e 2 p r o m 存储程序代码。该芯片为低功耗应用而开发，可以充分利用f x 2 的1 2 c 接口而 不用占用其它i o 接口。 e 2 p r o m 的连接决定了采集卡作为u s b 设备上电枚举的过程。如果上电没 有检测到e 2 p r o m 的存在，则会采用默认p i d 、v i d 枚举；上电如果检测到连 接有e 2 p r o m 时，l o a d e r 读e 2 p r o m 的第一个字节来决定如何枚举。有e 2 p r o m 存在，读第一个字节，如果是0 x c 0 ，则f x 2 自动复制p i d 、v i d 到内部存储 区，然后将这些字节给主机来响应“取得描述符”请求，如果主机的注册表中驱 动部分有和这些参数匹配的，则按照注册表找到该设备使用的驱动，然后驱动 下载f x 2 固件和u s b 描述符到f x 2 的r a m ，然后启动c p u ，完成重新枚举； 1 3 西华大学硕士学位论文 如果第一个字节是0 x c 2 ，则f x 2 加载e 2 p r o m 的数据到r a m 中，这些数据 就是固件程序。 f x 2 的b o o tl o a d e r 支持两种1 2 c 的e 2 p r o m 类型，使用8 位的内部地址或 者使用1 6 位的内部地址。2 5 6 字节以下的e e p r o m 使用单字节地址， a o a l a 2 = 0 0 0 ，2 5 6 字节以上的使用双字节地址，a o a l a 2 = 1 0 0 。因为i 2 c 总线 器件必须是漏极或集电极开路结构，所以s c l 、s d a 必须加上拉电阻。 3 3 3c p u 与键盘、显示的接口 由于5 6 引脚的6 8 0 1 3 只有p a 、p b 、p d 三组i o ，对于1 2 位的a d ，使用 了p b 、p d 的第二功能，配置为f d ( f i f od a t a ) 。这样就只剩下p a 口8 个引脚 可用，不足以完成键盘、显示、测试预留等功能。所以采用了p c f 8 5 7 4i 2 c 转 1 0 口的方式进行扩展。这样也可以留出足够的i o 口用于扩展和测试。连接见 图3 7 。 1 2 c 总线是p h i l i p s 公司推出的芯片间串行数据传输总线，两根线( s d a 、 s c l ) 最o 可实现完善的全双工同步数据传送。能够十分方便地构成多机系统和外 围器件扩展系统。1 2 c 器件是把i 2 c 的协议植入器件的i o 接口，使用时器件 直接挂到1 2 c 总线上，这一特点给用户在设计应用系统带来了极大的便利。1 2 c 器件无须片选信号，是否选中是由主器件发出的i e c 从地址决定的。而i 2 c 器 件的从地址是由i 2 c 总线委员会实行统一发配。p c f 8 5 7 4 a 的从地址是0 ) 【7 0 。 本设计中用到的显示模块是p d c 6 0 5 模块，是由六位数字显示的串行 l e d 。模块中常用的引脚有w r 、c s 和d a t 。占据了c p u 的p a 3 、p a 4 、 p a 5 ，连接图如图3 。7 所示： 1 4 西华大学硕士学位论文 3 3 4 信号抗干扰性设计 f i g u r e3 7 i oe x p a n do fc p u 图3 7 c p u1 0 扩展 电磁干扰涉及三个因素：干扰源、干扰接收器以及二者之间的耦合路径。 一般用源路径接受器模型来分析e m i 相关问题。实际中存在多种电磁干扰源， 他们通过传导或辐射到达接受器。 在平台的布局设计中，首先区分出电路中最可能引起干扰和最容易受到干 扰的部分，分别对其采用不同的隔离或保护措施。本系统主要考虑了模拟通路 和强干扰源的隔离，模拟电源地和数字电源地的隔离等。然后结合电路功能， 对p c b 进行合理布局和规划。 线路板的布线对于信号的传输效果影响非常大，尤其对于高频信号，如何 使得做好的板子具有很好的抗干扰性是一个非常关键的问题。在本设计的硬件 部分，主要采用了下面的下方法。 电路中，集成电路的电源引脚大量接入了0 1 u f 的电容。这种又叫去耦电 容，通过直流回路消除干扰、毛刺等。通常对于抗噪能力弱，关断时电源变化 】5 西华大学硕士学位论文 大的器件，应该在电源与地间直接接入去耦电容。 布线时将电路大体上分为三大部分，分别为电源部分、模拟部分、数字部 分。a d c 作为模拟部分放置。模拟和数字两种信号只分区不分地。布线遵循模 拟部分与数字部分尽量分开，晶振与单片机引脚尽量靠近，电容引脚布线粗而 短等原则。 对于高频部分，要保证导线尽量短，因为导线过长，相当于接入了电感和 电容，可以看作是接入了天线，e m i 非常大，所以u s b 口与相连的d p l u s 、 d m i n u s 两个引脚间距离保持尽量短，并且尽量减少中间的折线。 对于电源部分，布线基本保证在4 0 m i l 以上，不仅起到抗干扰的作用，也 为大电流通过留有余量。 三种“地”：数字地、模拟地、电源地。对于地的隔离，采用磁珠隔离数字 地和模拟地。用电感隔离大地和数字地。 3 4 数据采集卡的软件设计 数据采集卡的软件部分包括固件和应用程序。c y p r e s s 公司为其u s b 产品 提供的固件架构可以简化软件的开发，加快u s b 外围设备的开发。数据采集卡 的应用程序可以直接建立在该固件的基础上。 3 4 1u s b 固件架构 这个固件架构实现了与u s b 兼容的外围设备所需的基本功能。固件架构流 程如图3 8 所示t 1 6 西华大学硕士学位论文 f i g u r e3 8a r c h i t e c t u r eo f6 8 0 1 3f i r m w a r e 图3 8 6 8 0 1 3 固件架构 关于u s b 的中断部分可以通过固件架构来负责处理。它针对u s b 事件的 用户程序代码的声明提供了多个相对应的副函数钩子，而固件架构之所以会这 样设计与规划，这是由于当w i n d o w s 出现“发现新硬件”的窗口精灵时，在等待 用户按下“o k 信息按钮的这段时间，w i n d o w s 就会忽略重新设备列举事件。 固件架构包含了很多的副函数钩子，这些钩子就是应用程序之间的桥梁， 用于应用程序间互相交换数据等。所有的副函