（检测技术与自动化装置专业论文）基于usb数据采集系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 信息技术与电子技术的迅猛发展，使得计算机和外围设备也得到飞速发展和 应用，在科学研究领域和许多生产场合中常用到数据采集技术，并且对数据采 集的各种要求也越来越高。传统的通信方式由于传输速度慢、抗干扰能力弱、 安装麻烦等原因严重阻碍了数据采集设备的发展，新一代通用串行总线 ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称u s b ) 具有传输线少、速度快、支持热插拔以及 易于扩展等优点，很好的解决了以上问题，因此串行总线技术在计算机系统及 通信设备中迅速得到了广泛的应用。 文中分析了u s b 总线的体系结构和特点，针对传统总线不足之处，在此基 础上研究了基于u s b 的数据采集系统，根据系统应该达到的技术指标，从而确 定系统的整体框架和各个部分芯片的选择。整个系统包括硬件设计和软件设计 两部分，实现数据高速转换和采集、数据显示、数据保存以及数据打印等功能。 系统硬件部分实现数据采集功能，并将采集的数据送至u s b 控制器，再通过 u s b 接口将数据传送给p c 机。硬件设计部分主要包括u s b 2 0 主控制器 ( c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 外围电路设计、c y 7 c 6 8 0 1 3 与高速模数转换器t l c 5 5 4 0 的连接、 电源设计部分等。硬件设计中的各个芯片的选择都以技术指标为依据，每个部 分之间的连接以芯片的工作模式和系统要实现的功能来决定。文章每个部分都 给出了芯片选择的理由和硬件连接的原理图。 系统软件部分包括u s b 固件程序、设备的驱动程序和用户界面程序。u s b 固件程序在k e i l c 中完成，实现对c y 7 c 6 8 0 1 3 的初始化；设备驱动程序为用户 界面程序提供了软件和硬件平台连接的通道，它由w i n d o w s x pd d k 和 d r i v e r s t u d i o 来开发；用户界面程序采用v b 语言完成，在v b 中调用驱动函数 中的句柄来对硬件设备进行操作，实现数据的接收、保存、显示和打印功能。 最后以函数发生器为对象对系统进行测试，从测试的结果中可得出此系统性 能良好，能达到设计的预期效果。 关键词：u s b ，数据采集，固件，驱动程序 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ， c o m p u t e r sa n do t h e re l e c t r o n i cd e v i c e sa l s od e v e l o pf a s ta n db ea p p l i e dw i d e l y d a t a a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi su s e di nt h es c i e n c er e s e a r c hf i e l da n dl o t so fm a n u f a c t u r e o c c a s i o n w h i c h r e q u i r ee v e r yp a r a m e t e r o fd a t aa c q u i s i t i o nh i g h e ra n d h i g h e r t r a d i t i o n a le o m m u n i c a t i o a ss t y l ei ss t r o n g l yr e s t r i c t e dt h ed e v e l o p m e n to f d a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e sb e c a u s eo fs l o wt r a n s m i t t i n gr a t e 、w e a ka n t i - j a m m i n g a b i l i t y 、i n c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o na n ds oo n n e wg e n e r a t i o nu n i v e r s a l s e r i a l b u sh a st h ea d v a n t a g e so fs m a l lt r a n s m i s s i o nl i n e 、q u i c kt r a n s m i t t i n gr a t e 、 s u s t a i n i n gh o t - p l u ga n dp u l l 、e a s ye x t e n s i b i l i t ya n ds oo nw h i c hs o l v e dt h ep r o b l e m s o ft r a d i t i o n a lc o m m u u i c a t i o n ss t y l ew e l l s ou n i v e r s a ls e r i a lb u st e c h n o l o g yg a i n s w i d ea p p l i c a t i o n si nt h ec o m p u t e rs y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o n sd e v i c e s t l l i st h e s i sa n a l y z e ss y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fu n i v e r s a l s e r i a lb u s a i m i n ga tt h es h o r t a g e so ft r a d i t i o n a lb u s ，i tp u t sf o r w a r dt h es y s t e mo f d a t aa c q u i s i t i o nb a s e do nu s b t h i ss y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so fq u i c kt r a n s m i t t i n g r a t e 、p l u ga n dp l a y 、c o n v e n i e n tt a k i n ga n ds oo n ，t h ew h o l es y s t e mc o n t a i n st w op a r t s t h a ta r eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n i tr e a l i z e sf u n c t i o n so fd a t a a c q u i s i t i o n 、d a t at r a n s i t i o n 、d a t as a v i n g 、d a t ad i s p l a ya n dd a t ap r i n t i n g t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mr e a l i z e sd a t aa c q u i s i t i o nf o u n c t i o n , w h i c hs e n d sd a t a t ot h eu s bc o n t r o l l e r , a n dt 1 1 e nu s bc o n t r o l l e rs e n d sd a t at op cb yu s bi n t e r f a e e t h eh a r d w a r ed e s i g nm a i n l yi n c l u d e st h ep e r i p h e r yc i r c u i td e s i g no ft h eu s b 2 0 c o n t r o l l e r ( c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 、t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ec y 7 c 6 8 0 1 3a n dt h eh i 曲s p e e d 加t l c 5 5 4 0a n dt h ep o w e rs u p p l yd e s i g n e a c hc h i pi sc h o o s e db a s e do nt h e t e c h n o l o g yi n d e xi nt h eh a r d w a r ed e s i g n , a n dt h ep o r t sc o m m u n i c a t ea c o r r c o r d i n gt o t h em o d eo ft h ec h i p sa n dt h es y s t e r nf u n c t i o n t h ep a d e rd e s c r i pt h er e a $ o n st o c h o o s et h ec h i p sa n dt h ep r i n c i p l ec h a r to f t h eh a r d w a r ec o n n e c t i o n ms o f t w a r eo fs v s t e mi n c l u d e su s bf i r m w a r gp r o g r a m m e 、d e v i c ed r i v e r p r o g r a m m ea n dt h eu s e rp r o g r a m m e t h eu s bf i r m w a r ep r o g r a m m ei sa c c o m p l i s h e d i nk e i l c r e a l i z i n gt h ei n i t i a l i z a t i o no fc y 7 c 6 8 0 1 3 ；t h ed e v i c ed i r v e rp r o g r a m m e p r o v i d e s t h ec h a r m e lt ot h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h eu s e r p r o g r a m m e , w h i c hi sd e v e l o p e db vw i n d o w s d d ka n dd r i v e r s t a d i o ；t h eu s e r p r o g r a m m ef i u i s h e sw i t hv bl a n g u a g e ，o p e r a t i n gt h eh a r d w a r ed e v i c et h r o u 【g l l c a l l i i l gt h eh a n d l eo fd r i v ef u n c t i o ni nv b ，a n dr e a l i z e st h ed a t ar e c e i v i n g ，s a v i n g ， d i a p l a y i n ga n dp r i n t i n gf u n c t i o n s ， l a s t l y , i tt e s t st h es y s t e mu s i n gt h ef u n c t i o ng e n e r a t o ra st h eo b j e e t 1 1 1 es y s t e m p e r f o r m sw e l lf r o mt h et e s t i n gk s u l t s ，r e a c h i n gt h ee x p e c te f f e c t s k e yw o r d s ：u s b ，d a t aa c q u i s i t i o n , f i r m w a r e ，d r i v e rp r o g r a m m e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文字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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 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作的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：谁兰羔 同期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：阻导师签名： 亟! 垫 日期：翊 i ：生 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定 义的测量系统，它主要完成数据信息的采集、a d 转换、压缩处理，然后通过 p c 接口总线将处理后的数据送入计算机作进一步处理1 1 】【4 】。随着计算机技术的 飞快发展和普及，以数据采集系统为核心的设备也迅速在国内外得到了广泛的 应用，现代工业生产和科学研究对数据采集的要求越来越高，如在工业控制中 现场数据的采集，温度、压力等数据的采集，在比较重要场所安装的监控设备， 还有视频会议、可视电话等场合中，都需要进行高速数据采集。现在常用的采 集方式是数据采集板卡，常用的有a d 卡以及4 2 2 、4 8 5 等总线板卡，采用板卡 不仅安装麻烦，价格昂贵，容易受到机箱内环境的干扰，通讯过程中极易产生 错误，而且由于计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设 备，在一些电磁干扰性强的测试场所，可能无法专门对其作电磁屏蔽，从而导 致采集的数据失真，针对上述问题，急需采用新的技术解决。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的出现，很好的解决了以上这些问 题。它是由c o m p a q 、h p 、i n t e l 、l u c e n t ( 朗讯) 、m i c r o s o f t 、n e c 和p h i l i p s 七家 公司联合推出的新一代标准口总线，该总线是一种连接外围设备的机外总线，最 多可连接1 2 7 个设备。为微机系统扩充和配置外部设备提供了方便，不仅解决了 i o 插口不够的问题，而且建立了一条连接和访问外设的方法，这些方法可以有 效的减少总体成本，减少硬件冲突 5 1 。因此，我们能够利用u s b 总线接d 比较 容易的实现低成本、高可靠性的多点数据采集系统。由于u s b 的种种优点，被 越来越多的厂商和用户所接受，出现了u s b 打印机、摄象机等产品。尽管目前 u s b 接口的应用主要集中在电脑的周边外设，但是u s b 产品进入工控领域将是 必然的趋势，所以本课题的研究是具有一定的现实意义和经济意义的。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2u s b 技术发展趋势及优缺点分析 1 1 2 国内外应用现状及发展趋势 u s b 设备的应用目前在国外处于高速发展阶段，国外有些企业也已经推出了 很多能适应不同条件、不同精度要求等情况的u s b 数据采集系列产品。典型的 是美国国家仪器有限公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 公司研制的一系列u s b 数 据采集卡，n i 于2 0 0 5 年8 月推出了八款最新u s b 2 0 高速数据采集设备，从而 扩展了其业界领先的高性能u s b 数据采集设备u s b 9 0 0 0 系列产品，实现了高 达8 0 0 k s s 的采样率1 3 3 1 。此后新推出的u s b 2 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，可以实现数据记录，并将输出结果导入像m i c r o s o f t e x c e l 的电子数据表程序f 1 2 】。凭借总线驱动、即插即用的连接功能，该系列新款 设备使得n i u s b 9 0 0 0 高品质的u s b 数据采集设备系列如虎添翼，但是n i 公司 的u s b 数据采集卡系列产品的价格都比较昂贵i lo j 。 u s b 设备在国内的应用已经起步，并速度快，水平不断提高。在几年前，对 于国内大多数普通的计算机用户来说，u s b 还是个新鲜的名词，那时，市面上 能够买到的u s b 设备是非常有限的，基本局限于常用的计算机外设，比如说u s b 光驱、打印机等。随着u s b 体系结构的逐步完善，u s b 被越来越多的厂商所支 持和推崇，也将应用到更广的领域l 姗，市场上国内的主要产品有北京优采公司 u a 3 0 0 系列、四川拓普公司的u d a q 、u b o x 、u c a r d 等系列。 国内在u s b 数据采集、u s b 工业控制等领域已经取得了一定的成果，在现 实中得到成功的应用。u s b 2 0 协议，数据传输速率高达4 8 0 m b p s ，如此高的传 输速率能用于1 0 的传输速率所无法满足的地方，如高实时性要求的工业设备控 制、动态图像实时传输等，随着时代的进步和技术的发展，u s b 必将在更广阔 的领域得到更深层次的应用【1 9 1 。国内有一些厂商为u s b 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，u s b 2 。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。 总而言之，目前国内对u s b 数据采集设备的研制已经取得了可喜的发展， 但是与国外相比，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u s b 接口的 武汉理工大学硕士学位论文 普及和实际应用中对数据采集卡要求的提高，利用u s b 2 0 协议规范开发符合多 种场合的数据采集系统，以及此领域内先进产品的国产化等都成了亟待解决的 现实问题。 1 2 2u s b 的优势和局限性 u s b 支持各种p c 与外设之间的连接，还可实现数字多媒体集成。现在生产 的p c 几乎都配备了u s b 接口，很多操作系统都增加了对u s b 的支持，u s b 总 线具有以下优势f 1 5 1 1 1 6 】： 1 ) 设备安装和配置容易。u s b 设备支持即插即用，安装u s b 设备不必再打 开机箱，加减已安装过的设备，完全不用关闭计算机。所有u s b 设备支持热拔 插，系统对其进行自动配置，不再占用中断资源或者d m a 资源，彻底抛弃了过 去的跳线和拔码开关设置。u s b 为接缆和连接头提供了单一模型，解决了外设 越来越多造成的插槽紧张问题。 2 ) 接口数目多。每个u s b 主机通过u s b 集线器，可以同时挂接最多1 2 7 个外围设备，有效地解决了多点数据采集系统i o 口不够用的问题。 3 ) 数据传输速度比一般串行总线( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等) 快。u s b l 1 标准 的接口最快可以达到1 2 m b p s ，可以满足绝大多数多点数据采集系统的要求，如 键盘、鼠标、m o d e m 、游戏手柄以及摄像头等设备的要求。在p c 主机和采集系 统都具备支持u s b 2 0 标准的接口芯片时，最快可以达到4 8 0 m b p s ，可以满足高 速数据采集的要求。 4 ) 有总线电源保护。系统连续3 m s 没有总线活动，u s b 自动进入挂起状态。 5 ) 性价比的优势。具有廉价的电缆和连接头，并以低廉的价格提供传输速 率为1 5 m b s 的子通道，将外设和主机硬件进行了最优化的集成，促进了低价格 外设的发展。 6 ) 支持四种传输模式。这四种传输模式分别为：中断传输、批量传输、同 步传输和控制传输。 尽管u s b 的应用领域越来越宽，但是它也有其发展的局限性，其局限性主 要表现为： 1 ) 对旧的软硬件的支持不足。由于完整的、可行的u s b l 0 协议是在1 9 9 6 年推出的，因此在1 9 9 6 年之前推出的操作系统w i n d o w s9 5 没有u s b 设备的驱 武汉理工大学硕士学位论文 动信息，所以用户要在这些计算机和系统中使用u s b 就必须做一些补充性的工 作。 2 ) 距离的限制。u s b 协议规定单条u s b 的长度不能超过5 m ，同时可以通 过集线器的方法将其进彳亍连接，最多可以接入5 个集线器将线缆距离延伸为 3 0 m 。对于一般的应用场合，这一距离己经基本能够满足用户的需求，但要将 u s b 接口引入特殊的应用场合时便显得有些力不从心。 3 ) 协议复杂，开发难度大。 4 ) 测试困难大。 1 3 课题研究的主要内容 鉴于u s b 总线的发展以及它的诸多优点，本课题主要研究数据采集系统与 计算机通过u s b 接口通讯的基本方法。在课题研究结果的基础上，可以形成任 何形式的u s b 数据采集系统。主要内容如下： 1 ) 掌握u s b 总线的协议及u s b 总线系统的组成结构。 2 ) 研究u s b 总线接口硬件实现的方法、需要的芯片及硬件电路。设计符合 要求的u s b 系统，并在u s b 系统的基础上形成基于u s b 接口的多点数据采集 系统。 3 ) 完成u s b 固件程序的开发，研究基于u s b 总线接口的设备固件程序的 方法。完成数据采集系统及u s b 接口的固件编程。 4 ) 掌握计算机u s b 外围设备驱动程序开发工具及编程方法，完成用于一般 数据通讯的u s b 设备驱动程序。 5 ) 完成用户界面程序的编写，并对系统的软件进行测试。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于u s b 总线数据采集系统的整体设计 基于u s b 总线数据采集系统包括两部分：系统的硬件设计和软件设计。硬 件部分完成数据采集功能，并将采集的数据送至u s b 控制器，再通过u s b 接口 将数据传送给p c 机：软件部分包括u s b 固件程序、设备的驱动程序和用户界面 程序。整体设计思路为：用户通过主机端的应用软件下载u s b 固件代码，并向 采集系统发出读写命令以及对a d 的设置数据；采集系统收到命令后，根据所 接收的设置开始对外部的模拟信号进行a o 变换，转换后的数据由u s b 传输至 计算机，在用户程序中实现数据现的接收、存储、显示和打印。下面以u s b 数 据采集系统须达到的技术指标来分别介绍这两部分的设计构想和原理。 2 iu s b 数据采集系统的性能指标 1 ) 接口方式：u s b 总线接口( 支持u s b 2 0 接口标准、可热插拔、即插即用) ； 2 ) 输入通道：8 个通道( 在此设计中每次选中一个通道) ； 3 ) 测量信号；工业现场各类传感器的输出电压、电流信号； 4 ) 信号的输入范围：o 十5 v 5 ) 输入频带：7 5 删z ； 6 ) 采样率：4 0 m s p s ) 7 ) a d 分辨率：8 b i t ： 8 ) 用户程序要实现数据的接收、显示、打印功能。 2 2u s b 总线数据采集系统的硬件构成 基于u s b 总线数据采集系统的硬件部分主要由以下几部分组成：多路数据 选择器、a d 模数转换芯片、u s b 2 0 主控器、电源设计。实现多通道数据采集， 多通道输入数据经过8 选l 的多路数据选择器输入至八位模数转换器，由u s b 接口控制芯片的i n 端点读入缓冲区，再由其o u t 端点输出至p c 机。其中多路 转换器采用的是7 4 l s l 5 1 数据选择器，实现8 选i 的功能，每次选中一个通道， 其系统的数据采集结构图如图2 - 1 所示： 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 系统硬件设计框架 系统的工作流程为：通道0 至通道7 的采集信号经多路转换器进行选择，被 选中的通道信号输入模数转换器( t l c 5 5 4 0 ) 转换为数字信号，用c y 7 c 6 8 0 1 3 的p a 3 引脚来控制t l c 5 5 4 0 的o e 引脚，进行读数据。p c 的用户应用程序发出 接收数据的请求，并有设备发出相应的响应决定是否开始传输数据。当系统上 电后，系统自动识别设备后加载驱动程序，u s b 控制器的固件程序通过u s b 电 缆从主机自动下载到其内部程序r a m 中，并经过列举和重列举后开始正常工 作，计算机可以通过用户软件取得系统的各种配置信息【l ”。 2 3u s b 数据采集系统的软件设计 u s b 数据采集系统的软件部分一共包括三部分：芯片的固件程序、设备的驱 动程序和用户界面程序，这三部分的层次关系如图2 2 所示； 数据采集 固件程序 i l 设备驱动程 j l i 用户界面程 图2 2 系统软件的层次图 u s b 固件程序是u s b 数据采集系统中处于最底层的设备端。它主要完成 6 武汉理工大学硕士学位论文 对u s b 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 、a d 转换以及整个电路的初始化，将采集的数据送入 c y 7 c 6 8 0 1 3 的缓冲区发给p c 机，接收并执行p c 发送的指令。它负责处理p c 机发来的各种u s b 设备请求，并与外围电路进行数据传输。 u s b 驱动程序给用户界面程序提供了软件和硬件平台连接的通道。u s b 驱 动程序的开发工具有d d k ( d r i v e rd e v e l o p m e n tk i t ) 和d r i v e r w o r k s ，系统中的 u s b 驱动程序是d r i v e r w o r k s 开发的，利用v c + + 6 0 的强大编程平台，为用户 界面程序提供了控制u s b 接口芯片的句柄。 应用程序也称为用户界面程序。应用程序的功能主要是对采集的数据进行 显示，并根据采集的数据进行曲线图的绘制，显示某指标的动态曲线。开发用 户界面程序可以选择不同的开发软件，如v c - h 0 ，v b ，d e l p h i , c + + b u i l d e r 等 等，本系统中的应用程序软件是用v b 开发的，其特点是软件安装和操作都很简 便。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章u s b 数据采集系统的硬件设计 本章主要完成u s b 数据采集系统的硬件电路的设计，硬件电路设计部分主 要包括多路选择器与a d 的连接、u s b 2 0 主控制器( c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 外围电路设 计、c y 7 c 6 8 0 1 3 与高速模数转换器t l c 5 5 4 0 的连接、电源设计部分等【6 l 。 3 1 多路数据选择器的设计 多路数据选择器是把8 个通道的信号进行选择，每次只选中一个通道的信号 传送至t l c 5 5 4 0 中，在此设计中采用的是7 4 l s l 5 1 芯片 3 9 1 ，它有3 个地址输入 端，与t l c 5 5 4 0 的三个i o 口( f b 8 、f b 9 、f b l o ) 相连，用这三个引脚来控制 选择哪一路通道：d 旷d 7 8 个数据源与8 个通道相连，v 。与v b i l s 相连，提供+ 5 v 电源，引脚y 为8 选1 的输出信号，将其与t l c 5 5 4 0 的模拟信号输入脚相连， 其电路连接图如3 1 所示所示： d 3v 如 d 2d 4 d id 5 d 0d 6 y们 w g基 g n dc 1 f 7 4 i s 1 5 1 图3 - 1 多路选择器电路连接图 3 2u s b 2 0 主控芯片的选择及介绍 3 2 1 常用u s b 2 0 控制芯片介绍 随着u s b 的应用日益广泛，各个开发商也相继推出了各自的符合u s b 相应 协议的u s b 控制器芯片，尽管各种芯片都是严格遵循u s b 的相关协议，但不同 的厂商推出的产品还是有着一定的性能和用途差异，各种u s b 控制器芯片的结 构可分成3 种： 1 ) 专为u s b 设计的芯片。这类控制器是为u s b 应用专门设计的芯片，能 8 武汉理工大学硕士学位论文 够使u s b 的应用达到最优化。 2 ) 与现有的芯片兼容。这类控制器芯片与现有的芯片兼容，这样开发者己 经熟悉现有的芯片结构和开发指令，因此开发起来会比较容易。最常见的u s b 控制器都是与8 0 5 1 微处理器兼容。 3 ) 需要外部微处理器接口的芯片。这类u s b 控制器只处理u s b 通信，而 且必须由外部的微处理器来控制，因此这类控制器需要两个芯片，丽其他种类 的u s b 控制器则只需一个芯片( m c u 和u s b 控制器在同一个芯片上) 。 3 2 2u s b 2 0 控制芯片选型及优点分析 根据设计的需要，在此选用的u s b 控制芯片是e z u s bf x 2 系列的 c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片。该芯片是针对u s b 2 0 的，而且和u s b i 1 兼容，它支持两 种传输速率：全速( f u l ls p e e d ) 1 2 m b p s 和高速( h i g h _ s p e e d ) 4 8 0 m b p s ，它不支持 低速( l o w 。_ s p e e d ) l5 m b p s t 4 1 该芯片包括带8 5 k b 片上r a m 的高速8 0 5 1 单片机、4 k bf i f o 存储器以 及通用可编程接c i ( g p i f ) 、串行接口引擎( s i e ) 和u s b 2 0 收发器，无需外加芯片 即可完成高速u s b 传输，性价比较高。 另外，c y 7 c 6 8 0 1 3 提供了设备的“软”解决方案，使得设备可以无限制的配 置和升级。开发包提供的硬件和软件己经为开发者做了大量开发工作，开发者 只需在特定的地方加入自己的功能相关的代码即可，开发极为方便【2 i 】。 3 2 3u s b 控制芯片c y 7 c 6 8 0 13 芯片结构 c y 7 c 6 8 0 1 3 是c y p r c s 公司生产e z - u s bf x 2 系列芯片的一种，其芯片固件 存贮在主机上而不是芯片内部，显著特点是代码升级容易。芯片结构如图3 2 所 示【9 】洲。 e z - u s bf x 2 系列芯片的典型应用是无线局域网、移动硬盘、d s l 调制解调 器等接口类设备。为了满足不同用户的需要，c y p r e s s 公司为f x 2 提供了4 种封 装形式，分别为：1 2 8 - p i nt q f f 、1 0 0 - p i nq f n 、5 6 一p i nq f n 、5 6 - p i ns s o p ，这 些同种类不同封装的芯片内部结构是相同的，只是不同的封装形式引出的外部 引脚数量有所不同，其中5 6 脚的功耗最低。考虑到本系统所需要的接口情况， 论文中选用的是5 6 - p i n s s o p 封装的c y 7 c 6 8 0 1 3 ，它的组成部分主要包括： u s b 2 0 收发器、串行接口引擎( s i e ) ，增强型8 0 5 1 ，8 5 k b 的r a m ，4 k b 的f i f o 9 武汉理工大学硕士学位论文 存储器、i o 口、数据总线、地址总线和通用可编程接口( g p i f ) 。 图3 - 2e z - u s b 芯片结构图 e z - u s bf x 2 拥有独特的结构，其串行接口引擎( s l e ) 负责完成诸如数据的编 解码、差错控制、位填充等与u s b 协议有关的功能，它将嵌入式m c u ( 增强型 8 0 5 1 ) 解放出来，简化了固件代码的开发。f x 2 中还包含一个通用可编程接口 ( g p i f ) ，它支持所有通用的总线标准，如a t a p i ( p i o 和u d m a ) 、i e e e1 2 8 4 ( e p p 并行口) 和u t o p i a 等，并可与外部a s i c ，d s p 等直接连接【7 j 。 对于e z - u s bf x 系列的芯片需要微处理器( 增强型8 0 5 1 ) 参与端点f i f o s 与 外围电路之间的数据传输( 如图3 3 所示) ，由于增强型8 0 5 1 本身的工作频率的 较低，这限制了传输速率的进一步提高。虽然这种限制在1 2 m b s 的全速模式下 并不明显，但当速率提升至4 8 0 m b s 的高速模式时，微处理器必将成为整个系 统的带宽瓶颈。为此，在e z u s bf x 2 中，u s b 接口和外围电路直接共享f i f o 存储器( 如图3 - 4 所示) 。这时，增强型8 0 5 1 可不参与数据传输，但可通过f i f o 或r a m 的方式访问所传输的数据，另外，这些f i f o s 与u s b 之间的传输是以 数据包的形式实现的，而不是一次只传输1 字节。这种处理被称为“量子f i f o ”， 它很好的解决了u s b 高速传输模式下的带宽问题1 4 j 。 图3 - 3e z - u s b 数据传输模式 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 4e z u s bf x 2 数据传输模式 3 2 4 端点缓冲 e z - u s bf x 2 芯片内部包含3 个固定的6 4 字节端点缓冲区( o x e 7 4 0 - q ) x e 7 f f ) 和4 k b 的可配置端点缓冲区空f 司( o x f 0 0 0 , q 3 x f f f f ) 。3 个6 4 字节的缓冲区分别 用于e p 0 、e p i i n 和e p l o u t , 4 k b 的可配置缓冲区用于e p 2 ，e p 4 ，e p 6 和e p 8 。 其中，端点0 默认为控制端点，其o u t 和玳数据共享一块存储空间 ( o x e 7 4 0 - q 3 x e 7 7 f ) ：端点1 支持块传输、中断传输和同步传输，其o u t 数据 占用缓冲区o x e 7 8 0 - - - o x e 7 b f ，i n 数据占用缓冲区0 x e 7 c o o ) 【e 7 f f 。端点0 和 端点l 仅能由f x 2 的固件访问【2 】f 5 1 。端点2 、端点4 、端点6 和端点8 是大容量 高带宽的数据传输端点，其无需8 05 1 固件干涉便可同外围电路完成高速数据传 输。这四个端点具有非常灵活的配置方式，适应小同场合下的带宽要求，见表 3 - 1 所示。其中，双重缓冲意味着u s b 读写一个缓冲区的同时，另一缓冲区可 以与外围电路进行数据通信；三重缓冲增加了第三个数据缓冲区，可供u s b 端 或外围电路端使用；四重缓冲增加了第四个缓冲区。多重缓冲结构可在数据读 写双方速度相似时有效的提高u s b 带宽的性能，平滑带宽抖动，并减少双方的 互相等待时间。 表3 - 1 端点缓冲区 端点大小备注 e p o6 4 b 控制传输 e p l i n6 4 8 输入 e p l o u t6 4 b 输出 e p 24 k b 输入输出 e p 4 4 k b 输入输出 e p 64 k b 输入，输出 e p 84 k b 输入，输出 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 5 枚举和重枚举 枚举和重枚举是u s b 设备的一个非常重要的机制。是在初始阶段必须经历 的阶段，只有这两个过程成功的完成，u s b 设备才可能实现用户所设计的功能， 否则，设备只能是一个主机不识别的最原始的设备，或者是功能不完全的设备。 e z - u s b 的配置只通过软件进行的，8 0 5 1 的程序代码和数据存储在内部 r a m ，可以使用u s b 接口从主设备中加载。e z - u s b 芯片在默认情况下。不使 用固件标识作为u s b 总线设备标识，这样就可以通过u s b 总线接口下载8 0 5 1 程序代码和描述符表。e z - u s b 内核上电时完成这样的初始化枚举和固件程序下 载，这时8 0 5 1 保持在复位状态。这种支持程序代码下载的初始化e z - u s b 设备 称为“默认u s b 设备”。 在代码描述符表从主设备下载到e z - u s b 存储器中后，8 0 5 1 从复位状态中 恢复，并且开始执行设备固件代码。e z u s b 设备再次枚举，这次是作为下在后 设置好的设备出现在u s b 总线上。第二次枚举称为“再次枚举”，e z u s b 芯片 内部断开u s b 总线连接，然后再次与u s b 连接m j 。 e z - u s b 的控制位“再次枚举”( r e mt m ) 决定了是e z u s b 内核还是8 0 5 1 处理通过控制端点0 的设备请求。在上电时，r e n u m 位( 在u s b c s 寄存器中) 是0 ，表明e z - u s b 内核自动处理完成设备请求。一旦8 0 5 1 开始运行，它设置 r e n u m 位为1 ，表明用户的8 0 5 1 程序使用下载后的固件处理随后的设备请求。 3 2 6u s b 传输类型 u s b 定义了4 种传送类型【2 】【砌： 同步传输：在主机与设备之间的周期性的、连续的通信。一般用于传送与时 间相关的信息。这种类型保留了将时间概念包含于数据中的能力。但这并不意 味着，传输这样数据的时间总是很重要的，即传输并不一定很紧急。在每一个 u s b 帧中，为同步传输分配一定u s b 带宽。为了减少内部的事务操作，同步传 输没有握手信号( a c 科n a 到s t a l l n t ) ，如图3 5 所示，也不具有重发机 制。错误检测受限于1 6 位c r c 。同步传输不使用数据轮换位机制，在全速模式 时，同步数据只使用d a t a 0p i d 标志：在高速模式时，同步数据使用d a t a 0 、 d a t a l 、d a t a 2 和m d a t a t 3 7 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图3 5 同步传输 批量传输；非周期性的，大数据包的可靠的传输。典型地用于传输那些可以 利用任何带宽传输的数据，而且这些数据在没有可用带宽时，可以容忍等待。 如图3 - 6 所示： 图3 - 6 批量传输 中断传输：小规模数据的、低速的、固定延迟的传输。使用在设备必须定时 接受主机或设备注意的场合，如鼠标、键盘等。如图3 7 所示： 图3 7 中断传输 控制传输：突发的、非周期性的、由主机软件发起的请求或者回应的传输。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 通常用于命令事务和状态事务。它是u s b 规范中唯一有定义函数的传输类型， 所有的u s b 设备都必须支持控制传输。如图3 8 所示： 3 3a d 转换电路设计 设置羧段 数据阶陵 可选， 图3 - 8 控制传输 本系统要实现速度快的功能，因此在选择a d 转换器的时候采样速率是非常 重要的一个因素，通过一些芯片的比较，如a d 9 7 6 a 是1 6 位、采样速率可达到 2 0 0 k s p s ；t l c 5 5 1 0 为8 位、2 0 m s p s 的a d 转换器；t l c 5 5 4 0 为8 位、4 0 m s p s 的a d 转换器，最后决定选择t l c 5 5 4 0 芯片作为本系统中的a d 转换器。 3 3 1 模数转换器t l c 5 5 4 0 的性能特点 t l c 5 5 4 0 是美国德州仪器公司推出的高速8 位a d 转换器，能达到4 0 m s p s 的采样速率，它采用半闪结构和c m o s 工艺制造，大大减少了器件中比较器的 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 数量，而且在高速转换的同时能够保持低功耗。在推荐工作条件下，其功耗仅 为7 5 r o w ，由于t l c 5 5 4 0 具有高达7 5 m h z 的模拟输入带宽以及内置的采样保持 电路，因此非常适合在欠采样的情况下应用。另外，t l c 5 5 4 0 内部还配备有标 准的分压电阻，可以从+ 5 v 的电源2 v 满刻度的参考电压，并且可保证温度的 稳定性。t l c 5 5 4 0 可广泛应用于数字电视、医学图象、视频会议、c c d 扫描仪、 高速数据变换及q a m 调制器等应用方面1 2 0 】。 3 3 2t l c 5 5 4 0 转换电路部分设计 在电路设计中采用了一片t l c 5 5 4 0 进行a d 转换，其中转换器的d 1 ：8 】 引脚与c y 7 c 6 8 0 1 3 的f d 0 ：7 1 引脚相连，将转换后的八位数据传送给 c y 7 c 6 8 0 1 3 ；引脚1 ( o e ) 与c y 7 c 6 8 0 1 3 的引脚4 3 ( p a 3 ) 信号相连，通过 p a 3 发送信号给o e 来启动a d 转换；引脚1 2 ( c l k ) 为采样时钟，在这里将 c y 7 c 6 8 0 1 3 的引脚5 ( c l k o u t ) 与之相连，图中的电容起滤波作用t 3 0 ，其电 路连接图如3 - 9 所示： 图3 - 9a i ) 转换电路 对于参考电压，在这里为了简化电路，我们利用t l c 5 5 4 0 的内部分压电阻 从模拟电源电压v 叻a 取得参考电压f 2 9 】。 武汉理工大学硕士学位论文 亨 图3 1 0t l c 5 5 4 0 内部分压电路连接模式 内部电阻的标准值分别为：r 1 = 3 2 0 f 2 ，r r e f - = - 2 7 0 f l