（木材科学与技术专业论文）基于fpga的usb接口数据采集系统研究.pdf

本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名：纠力色一 i 导师签名 搏侈 日期：t ) 7 易m r f 致谢 经过三年多的学习和努力，在许多人的支持和帮助下，我顺利完成了硕士论 文课题的研究工作。 首先，我要特别衷心地感谢我的导师刘云飞副教授。在整个硕士研究生学习 期间，刘老师给予了我无私的帮助和支持。他严谨的治学态度，在学习和科研中 对我严格要求、一丝不苟，使我受益颇多生活中，他平易近人，让人如沐春风。 三年来，刘老师的言行举止感染着我，教导着我踏踏实实地做人，做事。在此， 向刘老师表达我最真诚的感激和敬意。 感谢我的父母，是他们给了我最坚强的后盾，没有他们，我也没有今天的成 果。感谢我的丈夫还有可爱的儿子，是你们的爱激励我克服困难，努力向前。 感谢物理实验中心的全体同事，他们在我学习和作课题期间给予了极大支持 和帮助。 感谢周又平、杨婕、薛联凤、徐慧、韩燕、张冲在这三年的学习生活中给予 的关心和帮助同时还要感谢南京航空航天大学的李宏凯同学，在与他的共同探 讨中，有很大收获。 感谢在本课题中支持、关心和帮助我的所有的老师，同事和同学，谢谢你们 2 刘砚一 2 0 0 6 年1 2 月 摘要 随着科学技术水平的不断提高，在科研和生产过程中为了更加真实的反映 被测对象的性质，对测试系统的性能要求越来越高。传统的测试装置，由于传输 速度低或安装不便等问题已不能满足科研和生产的实际需要。u s b 技术的出现很 好的解决了上述问题。u s b 总线具有支持即插即用、易于扩展、传输速率高 ( u s b 2 0 协议下为4 8 0 m b p s ) 等优点，已逐渐得到广泛的应用。 本课题研究并设计了一套基于u s b 2 0 的数据采集系统。论文首先详细介绍 了u s b 总线协议，然后从系统的总体结构、硬件电路、软件程序以及系统性能检 测等几个方面，详细阐述了系统的设计思想和实现方案。系统采用双1 2 位a d 转换器，提供两条模拟信号通道，可以同时采集双路信号，最高的采样率为 2 0 0 k h z 。u s b 接口芯片采用c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 。论文详细介绍了其在s l a v e f i f o 接口模式下的电路设计和程序设计。系统应用f p g a 芯片作系统的核心控制， 控制系统的数据采集和与u s b 接口芯片的数据交换，并产生其中的逻辑控制信号 和时序信号。同时应用f p g a 芯片作系统的核心控制可提高了系统稳定性、减小 设备的体积。系统的软件设计，主要包括f p g a 芯片中的逻辑、时序控制程序、 8 0 5 1 固件程序、客户应用程序及其驱动程序。客户端选择了微软的v i s u a ls t u d i o 6 0c + + 作开发平台，虽然增加了复杂程度，但是软件执行效率及重用性均得到 提高。 最后，应用基于u s b 2 0 的数据采集系统测试标准信号及电木的导热系数， 以验证测试系统的可靠信与准确性。 关键词：u s b 2 0 ，数据采集， s l a v ef i f o ，固件程序 t h er e s e a r c hf o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s b2 0a n df p g a a b s t r a c t d u r i n gt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g i e sd e v e l o p m e n ti nt o d a y sw o r l d ， t om a k et h em e a s u r e m e n tm o r ep r e c i s ei nt h er e s e a r c ha n dp r o d u c t i o n ，t h e r e a r eh i g h e ra n dh i g h e rd e m a n d sf o rt h ep e r f o r m a n c eo fm e a s u r e m e n ts y s t e m s t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n ts y s t e m sa n dd e v i c e sh a v e t h ef a u l t o fl o w t r a n s m i s s i o nr a t ea n da r en o te a s yf o ri n s t a l l a t i o n 。a n df r o mc u r r e n tv i e w 。 t h e s es y s t e m sa n dd e v i c e sc a n n o tf u l f i l lt h eh i g h e rd e m a n d si nt h e i n d u s t r i a lw o r l d u s bt e c h n o l o g yc a ns o l v et h ep r o b l e m sa b o v e u s bb u s h a sb e e nw i d e l yu s e df o rt h ef e a t u r e so f ：“p l u g i na n dp l a y ”e a s yf o r e x t e n s i o n sa n dh i g ht r a n s m is s i o nr a t e ( 4 8 0 m b p si nt h ep r o t o c o lo fu s 8 2 o ) t h i sp a p e rd e s c r i b e sad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( d a q ) b a s e do nu s b 2 0 a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h eu s bp r o t o c o l ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r e ， s o f t w a r ea n ds y s t e mp e r f o r m a n c e ，f r o m w h i c h ，t h ed e s i g na n ds o l u t i o ni sg i v e n t h es y s t e mh a sd u a la n a l o g c h a n n e l sw i t h2c h a n n e l s1 2 一b i t sa dc o n v e r t e r s ：t h eh i g h e s ts a m p l er a t e i s2 0 0k h z t h ei n t e r f a c ec h i pi sc y 7 c 6 8 0 1 3o fc y p r e s s a sw e l l ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ec i r c u i td e s i g na n dp r o g r a md e s i g nf o rt h em o d eo fs i a v e f i f oo ft h i sc h i p t h es y s t e mt a k e saf p g ac h i pa sc o r el o g i cc o n t r o lm o d u l e f p g ac o n t r o l st h es a m p l ep r o c e s sa n dc o m m u n i c a t i o n sw i t ht h eu s bc h i p s e t f p g aa l s og e n e r a t e st h ec o n t r o ls i g n a l sa n dt i m i n gs e q u e n c es i g n a l s t h i s d e s i g nw i l ii m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t y ，a n dm a k e st h ed e v i c es m a l l e r t h i sp a p e ra l s og i v e sa no v e r v i e wo fs o f t w a r ep a r ti nt h es y s t e m ，i n c l u d e s 1 0 9 i c a ld e s i g ni nf p g a ，t i m i n gc o n t r o l ，f i r m w a r eo f8 0 5 1 ，d r i v e ra n dt h e c l i e n ta p p l i c a t i o na tp c a tc l i e n tp cs i d e m i c r o s o f tv i s u ms t u d i oc + + 6 0i sc h o s e na st h ep l a t f o r mf o rd e v e l o p m e n t t ov e r i f yt h er e l i a b i i i t ya n da c c u r a c yo fd a qs y s t e m ，e x p e r i m e n t sw e r e e x e c u t e da g a i n s tt h es t a n d a r ds i g n a l sa n db a k e l i t et h e r m a lc o n d u c t i v i t y a tl a s t o ft h i sp a p e r ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti sg i v e na n da n a l y z e d k e y w o r d s ：u s b 2 0 ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s l a v ef i f o ，f i r m w a r e 4 1 1课题背景 第一章绪论 1 1 1 课题的提出 在现代工业生产、控制和科学研究中，对各种现场数据进行采集、传输并处 理已是必不可少的组成部分。数据采集系统，它主要完成数据信息的采集、a d 转换、压缩处理，然后通过接口总线将处理后的数据送入计算机作迸一步处理。 目前，以这样的系统为核心的设备在国内外得到了广泛的应用，比如工业生产中 的液位、温度、压力、频率等数据采集系统；生物医学方面的电生理信号的采集 系统，机场、商场、交通等重要的场所安装的监控设备、视频会议、可视电话等 多媒体设备等。 以前的数据采集系统中，处理器一般采用单片机，单片机价格比较低廉、结 构简单、接口扩展能力强。但很明显的缺点就是数学运算能力差，对于实时性要 求高、传输率要求快、对信号的数学处理比较复杂的领域来说，单片机就显得力 不从心了。 在电路的设计上，传统的采集系统多采用分离式的元器件，这样的系统，体 积大、结构复杂、开发调试周期长，而且稳定性和抗干扰性都比较差。 同样在和上位p c 机之间的数据传输问题上，传统的数据采集板卡，主要有： 基于i s a 、p c i 总线的a d 卡，基于串口、并口的采集卡，以及基于4 2 2 、4 8 5 等总线板卡。采用板卡不仅安装麻烦，易受机箱内环境的干扰，而且由于受计算 机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备，尤其对工业现场来 说，基于i s a 、p c i 总线的采集装置几乎不可能得到应用，丽基于串口、并口及 4 2 2 、4 8 5 等总线的板卡其速度大大限制了其应用范围。 夺 夺 夺 夺 目前数据采集卡主要存在以下问题： 接口卡的配置必须停机，并需打开p c 机箱进行安装和拆卸； 接口插卡作为一种硬件设备插入p c 后，总要占用p c 的各种硬件资源。而当 扩展卡较多时，常会出现一块或多块插卡因无法合理配置而不能正常工作的 情况，严重时可导致系统崩溃； 接口插卡的兼容性和标准住的程度直接影响计算机的寿命和系统的稳定性； 接口卡不适合移动应用； p c 插槽中的各种接口卡易受p c 内部的高频干扰，使其性能受到很大的影响； 传输速率不高，对于传输大量的实时性数据，如动态图像实时传输、多媒体 数据以及高实时性要求的工业控制等，不能满足要求 综上所述，传统的数据采集卡安装、配置不方便、不便于携带，无法满足野 7 外及现场测试的需求；由于与主机的传输方式存在瓶颈，不能满足现在的测试系 统对传输速率越来越高的要求。 本论文着眼于开发一种能满足集数据采集、数据处理、高速传输以及便于携 带等功能的通用型数据采集处理系统。 1 i 2 研究的可行性 在电子技术飞速发展的今天，f p g a ( 现场可编程门阵列) 和c p l d ( 复杂可编 程逻辑器件) 应用已十分广泛，它们随着e d a 技术的发展而成为电子设计领域的 重要角色。由于该器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重 构，硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷，极大的改变了传统的设计方法、 设计过程，乃至设计观念。借助于大规模集成的可编程逻辑器件和高效的设计软 件，用户不仅可通过直接对芯片结构的设计实现多种数字逻辑系统功能，而且由 于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度；同 时，这种基于可编程逻辑器件芯片的设计大大减少了系统芯片的数量，缩小了系 统的体积，提高了系统的可靠性【l 】 1 9 9 4 年，c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 等七家世界著名的计算机和通讯 公司，于1 9 9 5 年1 1 月正式制定了u s b o 。9 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 规范。u s b i 1 是目前推出的在支持u s b 的计算机与外设上普遍采用的标准，主 要应用在中低速外部设备上，它支持的传输速率有低速1 5 m b p s 和全速1 2 m b p s 两种。1 9 9 9 年初在i n t e l 的开发者论坛大会上，介绍了u s b 2 0 规范。u s b 2 0 向下兼容u s b l 1 ，数据的传输率将达到4 8 0 m b p s ，已超过了目前i e e e l 3 9 4 接口 4 0 0 m b p s 的传输速率，可以支持宽带数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存 储设备。 u s b 技术具备很多优点 u s b 支持热插拔和即插即用； 占用的系统资源少( 只占用一个i r p ) ，无总线竞争； 速度快：u s b i 1 支持1 5m b p 和1 2 m b p s 两种传输速率，而u s b 2 0 可达4 8 0 m b p s ，比串口快了整整4 0 0 0 倍，比并口也快了4 0 0 多倍； u s b 端口支持多个不同设备的串联，一个u s b 口理论上可连接1 2 7 个u s b 设 备； u s b 事务处理包括错误检测机制，用以确保数据无错误的发送； 设备能够直接由u s b 总线进行供电； 支持四种传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输； 综上所述，采用f p g a 芯片作为系统主控制器，面采用u s b ( 通用串行总线) 和上位机连接将是实现外置式、高速、实时连续采集系统的关键。因此，研究开 发基于f p o f i 芯片和u s b 总线的数据采集系统具有较高的理论价值和广泛的应用 8 夺 前景。 1 i 3 数据采集系统方面的发展动态 目前数据采集卡大致分为3 大类，即：基于i s a 总线、基于p c i 总线和基于 4 8 5 等串行总线的远端模块。随着p c 机的发展，i s a 总线逐渐被淘汰：基于p c i 的采集卡，价格一直据高不下；而各种远端模块由于使用p c 机的串口，速率受 到极大限制。随着u s 8 总线在各种电子产品中的普及u s b 端口成为计算机的标 准设备，u s b 接口的数据采集卡也开始出现在测控领域，现在普遍采用的是 u s b i 1 协议，支持的传输速率有低速1 5 m b s 和全速1 2 m b s 两种，主要应用在 中低速的测控系统中2 0 0 0 年发布的u s b 2 0 协议将传输速率提高到4 8 0 m b s ， 且拥有更高的带宽，为开发高速的u s b 接口的数据采集系统提供了极好的支持。 1 。2 课题的主要研究内容和主要工作 本课题主要研究了u s b 总线技术，包括总线特征、电气特性、数据传输类型 等。基于u s b 2 0 技术，我们提出了u s b 接口的数据采集系统的实际应用方案， 设计并制作了基于f p g a 和u s b 接口的数据采集和传输的硬件系统，编写了 u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的固件程序；基于f p g a 芯片的逻辑、时序控制程序； 系统的应用程序；同时为了实现主机应用程序和硬件系统之间的通信，编写了 u s b 设备的驱动程序。最后，将本系统应用于电木导热系数的测试中，得到了较 为理想的结果。 9 第二章u s b 系统描述 在终端用户看来，u s b 系统就是外设通过一根u s b 电缆和p c 机连接起来 u s b 在外设和p c 机之间提供通信服务，通常把外设称为u s b 设备，把其所连接 的p c 机称为u s b 主机，且把指向u s b 主机的数据传输称为上行通信，把指向u s b 设备的数据传输称为下行通信。 2 1 u s b 主机 u s b 主机内部含有u s b 主控制器，负责完成主机和u s b 设备之间的物理数据 传输。主控制器内部包括一个u s b 根集线器( h u b ) ，用于给u s b 系统提供一个或 多个连接点( 端口) ，现在p c 机机箱后面的那两个u s b 端口就是由根集线器提供 的打开在w i n d o w s 操作系统的“设备管理器”，其中的“通用串行总线控制器一 项列出了p c 机使用的u s b 主控制器和根集线器，如图2 - - 1 所示 u s b 主机还含有客户软件：u s b 设备驱动程序和客户应用程序，用于和指定 u s b 设备进行通信，以实现其特殊功能。客户软件是专用的，根据具体设备不同 而不同，需要开发人员自行编写1 2 1 。 u s b 的数据传输是基于令牌的，所有的通信都是由u s b 主机启动，所以u s b 主机在整个数据传输过程中占据主导地位。u s b 规定u s b 系统中只允许有一个主 机。 1 0 2 2u s b 设备 2 2 1 设备分类 按u s b 设备功能不同，可将其分为两大类：集线器和功能设备。集线器为 u s b 系统提供额外的连接点，使得一个u s b 端口可以连接多个设备；功能设备为 主机提供额外的功能，如u s b 键盘、数码相机等。 2 2 1 1 集线器 集线器( h u b ) 是u s b 系统中的关键元件，用于扩展主机的u s b 端口，u s b 设 备( 包括功能设备和其他集线器) 可以通过其下行端口接入主机。集线器简化了 u s b 的连接，并有很好的稳定性，价格也便宜。图2 - - 2 是一个典型集线器的示 意图，其上行端口用于连接u s b 主机，下行端口连接其它集线器或u s b 功能设备。 集线器能检测到每个下行端口上u s b 设备的连接与断开，并可独立使能。根据上 行端口的连接情况，集线器可分为高速集线器( 4 8 0 m b s ) 、全速集线器( 1 2 1 d b s ) 、 低速集线器( 1 5 m b s ) 端口o ( 棂端口) 端口1 端1 ：1 2 端1 ：3 3端口n - l 端q n 下流端口 图2 - 2u s b 集线器结构 对于u s 8 2 0 集线器，其上行端口既可采用高速传输速率又可采用全速传输 速率，下行端口支持高速、全速、低速u s b 设备的连接 2 ，2 1 2 功能设备 功能设备可以和u s b 主机进行数据和控制信息的交互，在每个功能设备内部 都包含有描述其功能和资源需求的配置信息，主机必须在它们能够被使用前对其 进行配置。 2 2 2u s b 设备端点 端点是一个u s b 设备唯一可以确认的部分，它是主机和设备之间的通信流 终点。软件只能通过一个和多个端点与一个u s b 设备通信。在设备接入时，每一 l i 个逻辑设备都有一个由系统分配的唯一地址，而一个设备上的任个端点都有一 个由设备而定的唯一标识和端点号。 端点可以决定端点和客户软件之间通信所需要的传输服务类型。一个端点只 有在对其进行配置之后才能使用。 1 、端点0 要求：所有u s b 设备都要拥有端点0 ，该端点用于对一个逻辑设 备进行初始化和一般的操作( 即对一个逻辑设备进行配置) 。端点0 提供了对设备 配置信息的访问权，通过它还允许访问一般的u s b 状态和控制操作端点0 支持 控制传输，它总是在设备一经接入和上电时就进行配置。 2 、对非0 号端点的要求：设备可以有除0 端点以外的其他端点，这取决于 设备的实现。除缺省端点0 外，其他的端点只有在设备被设置后才可使用，对它 们的配置是设备设置过程的一部分。 2 2 3u s b 管道 一个u s b 管道是设备上的一个端点和主机上软件之间的联系。体现了主机上 缓存和端点问传送数据的能力。有两种相互独立的管道通信模式： 流( s t r e a m ) ：不具有u s b 定义格式的数据流。 消息( m e s s a g e ) ：具有某种u s b 定义格式的数据流。 u s b 不解释在管道中传送的数据的内容。尽管消息管道需要数据根据u s b 定 义的格式而结构化，但是u s b 不对数据的内容进行解释 1 流管道：流管道中的数据是流的形式，也就是该数据的内容不具有u s b 要求的结构，数据从流管道一端流进的顺序与它们从流管道另一端流出时的顺序 是一样的，流管道中的通信流总是单方向的。流管道支持同步传输、中断传输和 块传输类型 对于在流管道中传送的数据，u s b 认为它来自同一个客户。在流管道中传送 的数据遵循先进先出原则。连接到设备的流管道在正确的方向( 也就是说，依据 协议定义的i n 或o u t 令牌包) 上和单个的设备端点号捆绑定在一起，而相反方 向的设备的端点号可以用到设备的其他流管道。 2 消息管道：消息管道和流管道是以不同的方式与端点发生相互作用首 先主机发送一个请求到u s b 设备，请求后是方向正确的数据传输，在稍后的时间 会有一个状态阶段为了适应请求数据状态范例，消息管道给通信流上强加了 一个结构以允许命令能可靠地识别并进行通信。尽管通信流程主要是单向的，但 消息管道也允许通信流程在两个方向进行，默认管道通常就是一个消息管道。 u s b 系统软件能保证多个请求不会同时发送到消息管道上每个消息管道在 每个时刻，要求设备只服务一个设备请求主机上的多个软件客户程序可以通过 默认控制管道发出请求，但是他们必须以先进先出的顺序发出。根据设备响应主 机事务的能力，设备可以在数据和状态阶段过程中控制信息流程 通常，在设备处理完当前的消息后才会让主机发送下一个消息但是，有些 条件能让主机结束消息传输，并且消息管道能提前发送一个新的消息传输( 从设 1 2 圆 厂鬲、 软件， 接口 图2 - - 3 u s b 通信流 备的观点来看) 。从软件管理消息管道的观点来看，i r p 某些部分的错误会撤销 当前的i r p 和队列中所有等待的i r p 请求i r p 的软件客户程序通过适当的错误 指示告知i r p 的结束。 2 2 4u s b 通信流 u s b 在主机和连接的设备之间提供通信服务。终端用户将一台或多台u s b 设 备连接到主机。功能设备根据不同的客户软件与功能设备的相互作用对通信流有 不同的要求。通信流用总线访问来完成主机和功能设备之间的通信。通信流在设 备的端点终止设备的端点可识别所有通信流。 对u s b 系统来说，u s b 逻辑设备像是端点的一个集合。设备的端点是u s b 设 备的唯一的可标识部分，用来标识每个通信流的方向，它是在主机和设备之间的 通信流的信息源或终点。接口是端点组合成的端点集。u s b 系统软件用默认的 控制管道管理设备。管道( p i p e ) 是描述设备上的端点和主机上的软件之闻的联系 的一个抽象通道。客户软件用管道束来管理接口。客户软件要求数据在主机的缓 冲区和u s b 设备的端点之间移动。主机控制器将数据封装，在u s b 上传输。图2 3 为通信流在端点与主机端的存储器缓冲区之间的管道传输。 2 3u s b 总线拓扑结构 u s b 采用层次星形的总线拓扑结构，这可以防止在u s b 系统中出现环形连接 的情况，如图2 - - 4 所示。主控制器( 包括根集线器) 是该拓扑结构的起点，u s b 集线器是其中心，每一层都是集线器和功能设备之闻点到点的连接，其层次最多 为7 层通过这种层次星形的总线拓扑结构，u s b 系统最多可以支持1 2 7 个u s b 设备( 包括根集线器) 的连接【3 】。 需要注意的是，在这7 层结构中，主机和任何设备问的通信链路上最多支持 5 个非根集线器。由于复合设备( c o m p o u n dd e v i c e ) ( 图2 4 中圈中的设备) 被 看作是两层，因此，它不能连接在第7 层，在第7 层中只能连接功能设备。 2 4 总线协议 图2 4u s b 图总线拓扑结构 7 u s b 是种轮询的总线，由主机控制器负责初始化所有的数据传输。 大多数总线事务都需要三个包的传输：令牌包、数据包和握手包。在每个事 务的开始，事务从主机控制器发送一个描述u s b 事务的类型、方向、u s b 设备地 址以及端点号的u s b 包，这个包称为“令牌包”。被寻址的u s b 设备通过正确地 解码地址域后选择到自己。在一个给定的事务中，数据可以从主机传送到设备， 也可以从设备传送到主机，但是数据传输的方向必须按照在令牌包中确定的方 向。接着数据的发送方开始发送数据包或者发送能表明自己没有数据要传送的数 据包，比如说大小为0 字节的数据包。通常来说，事务的最后阶段，数据的接受 方通过一个握手包来和数据的发送方响应，以确定数据是否成功传送。 主机上的信号发送方或接收方与设备端点问的u s b 数据传输模型称为管道。 管道不是物理形式上的导线。它是一个比较抽象的概念，当设备配置后，它就根 据程序设置，形成通信管道存在，进行主机和设备间的通信。 1 4 管道分为两类：流和消息。流数据没有u s b 定义的结构，而消息数据则具有 这种结构。此外，管道还和数据带宽、传输服务类型、端点特性( 比如传输方向 和缓冲区大小) 有关大多数管道在当u s b 设备配置完毕后就开始存在，一旦设 备上电，一个消息管道一一默认的控制管道将会一直存在，来获得设备的配置， 状态和控制信息。 事务处理过程允许对一些流管道进行流控制。在硬件级，通过使用n a k 握手 包来调节数据传输率，以防止出现缓冲区过载或者欠载的情况。当收到n a k 包后， 事务会在总线空闲的时候重试。流控制机制允许构造灵活的进程，允许不同种类 的混和流管道同时服务。因此，多个流管道可以在不同的时间间隔获缛服务，并 且包的大小也可以不同。 2 5 u s b 数据传输类型 u s b 定义了四种传输类型，以满足不同的传输需求。 控制传输：主要用于命令状态操作，由主机软件发起的请求响应通信 过程，具有突发性，非周期性的特点。 同步传输：主要用于主机和设备之问，与时间有关的信息传输，具有周 期性，连续性的特点。这种传输类型保留了数据中时间压缩的概念，但 是，它并不意味着这一数据传送都是实时的。在传送数据发生错误时， u s b 并不处理这些错误，而是继续传送新的数据。 中断传输：主要用于向主机通知设备的服务请求，它是由设备发起的通 信，具有数据量小，非周期，低频率，延时一定的特点 块传输：非周期的，大数据包的，可靠的传送。典型地应用于传送那些 可以利用任何带宽传输的数据，而且这些数据传输在没有可用的带宽时， 可以容忍等待。 2 6u s b 总线枚举 当一个u s b 设备接入u s b 或者断开u s b 连接后，u s b 主机通过总线枚举过程 确定和组织设备状态的转换。当设备接入u s b 总线后。u s b 主机将通过下面的步 骤完成u s b 设备的枚举过程1 3 ) u s b 设备插入的h u b 通知主机有u s b 设备连接到u s b 总线上，这时u s b 设备处于供电状态。 u s b 主杌通过查询h u b 来获得准确的信息 当u s b 主机得到准确的设备信息后，u s b 主机将等待至少l o o m s ，让设备 总线供电处于稳定状态，然后u s b 设备使能端口，并向u s b 设备发送复 位请求。 夺h u b 执行必要的复位过程，当复位过程结束后，端口处于使能状态，u s b 设备的寄存器被初始化，u s b 设备通过默认地址对总线标准请求进行响 应。 夺u s b 主机为u s b 设备分配一个设备地址。 夺在设备获得指定地址之前，u s b 主机仍然可以按照默认地址和u s b 设备 的控制端口进行通信。u s b 主机通过读设备描述符来获得设备端口的最 大载荷。 夺u s b 主机获得设备的配置信息。 根据获得的设备配置信息，主机向设备发送设备配置请求，设备完成该 响应后，u s b 设备的配置过程就完成了。 夺u s b 2 0 要求高速设备必须能在全速模式下枚举。事实上，所有的高速设 备都是在全速模式下枚举的。只有当u s b 主机和u s b 设备都同意在高速 模式下时，u s b 设备才会转到高速模式下运行 夺当连接到一个支持全速模式的u s b 主机时，u s b 设备会枚举为一个全速 设备。当连接到一个支持高速的主机时，u s b 设备会枚举为个高速设 备并自动地转换到高速模式运行。 2 7u s b 总线物理接口 u s b 总线物理接口分为总线的电气特性和机械特性 2 7 1u s b 总线电气特性 如图2 - - 5 ，u s b 是通过一种四线的电缆传输信号和电源。信号在两条点对点 连接的线上传输。 它支持三种数据传输速率： u s b 高速信号，位速率是4 8 0m b s ； u s b 全速信号，位速率是1 2m b s ； u s b 低速信号，位速率是1 5 ) 4 b s 。 图2 5u 岛电缆 v m d + d - g n d 低速模式需要较少的e m i 保护。三种模式可在同一u s b 总线传输的情况下自 动地动态切换。 1 6 电缆中的d + 和d 一是一对差模信号线，而v b u s 和g n d 则提供了+ 5 v 的电源， 可以用来给一些低功耗设备供电( u s b 协议规定：当u s b 设备采取总线供电模式时 设备可从总线获得最大5 0 0 m a 的电流) 。u s b 对电缆长度的要求很宽，最长可为 几米。为了保证足够的输入电压和终端阻抗，重要的终端设备应位于电缆的尾部 通过每个端口都可检测终端是否连接或分离，并可区分出高速或低速设备。 2 7 2u s b 总线机械特性 所有设备都有一个上行连接，上行连接器和下行连接器在机械上是不可简单 互换的。这样可避免集线器问的非法的循环往复的连接。电缆中有四根导线：一 对互相缠绕的标准规格线，一对符合标准的电源线。连接器由四个方向，具有屏 蔽层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性 2 8u s b 电源 在u s b 系统中，所有的集线器端口都可为和其相连的u s b 设备提供电源，且 每个端口的最大输出电流一般为l o o m a 或5 0 0 m a 。其中，可提供5 0 0 m a 电流的u s b 端口被称为高功率集线器端口，而仅能提供l o o m a 电流的u s b 端口被称为低功率 端口。 u s b 设备既可使用总线提供的电源，也可使用单独的本地电源( 如电池、插 座等) 。 2 8 1 电源分配 每个u s b 单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连的u s b 设备提供电源供其使用，并且每个u s b 设备都可能有自己的电源。那些完全依靠 电缆提供能源的设备称作“总线供能”设备。相反，那些可选择能源来源的设备 称作“自供电”设备而且，集线器也可由与之相连的u s b 设备提供电源。 2 8 2 电源管理 u s b 主机与u s b 系统有相互独立的电源管理系统u s b 的系统软件和主机电 源管理系统相互作用，以此来控制挂起、唤醒等系统电源事件。另外，u s b 设备 可以具有u s b 技术规范所规定的电源管理信息，从而系统软件或类驱动程序可对 其进行电源管理 1 7 第三章采集系统的硬件设计 本章详细介绍数据采集系统的硬件设计，主要包括硬件各模块的电路设计、 芯片选型以及设计细节等。 3 1采集系统基本结构 本系统采用f p g a 芯片为系统逻辑控制器，用以控制数据的采集与传输。u s b 芯片选用内部嵌入微控制器的u s b 2 0 接口芯片，易于系统的开发与升级。 系统结构框图如图3 1 ： 图3 一l 采集系统结构框图 u s b 到 主 机 系统有两路模拟输入通道。每通道最高采样率为2 0 0 k h z ，1 2 位的采样精度 整个系统的控制逻辑由f p g a 实现。首先，由主机发出控制字，设置采样率和采 样通道。f p g a 监测u s b 接口芯片端口f i f o 标志位，判断是否有数据输出，当标 志位有效时，f p g a 读入控制字，并根据控制字产生相应的c s 信号和d c l o c k 信 号，a d 芯片开始工作转换结束后，接收a d 输出的l z 位串行数据，并将之转 换为1 6 位并行数据。最后f p g a 将采集数据以块传输方式，通过u s b 传送到主机， 由主机作相应的处理 3 2 采样通道设计 a d 转换是把传感器的信号或者经放大后的模拟信号转换成能被单片机和 计算规识别的数字信号，因此a d 通道设计是数据采集系统中的不可缺少的部 分，模数转换也是模拟信号数字化的关键技术 3 2 1 选择a d 转换器的几个要点 3 2 1 。1 确定a d 转换器的位数 a d 转换嚣位数的确定，应从数据采集系统的静态精度和动态平滑性这两方 面进行考虑 5 1 从静态精度方面来说，要考虑输入信号的量化误差传递到输出所产生的误 差，它是模拟信号数字化时产生误差的主要部分。另一方面，由于模拟信号是先 经过测量装置的测量，再经 d 转换器转换后输入计算机中的，因此，总的误差 是由测量误差和量化误差共同构成的。 总之，a 1 3 转换器的糖度应与测量装置的精度柱匹配，也就是说，一方面要 求量化误差在总误差中所占的比重要小，使它不显著地扩大测量误差：另一方面 必须根据目前测量装置的精度水平，对a d 转换器的位数提出恰当的要求，当被 测对象量程范围很大时， d 转换器要求更多的位数。在本系统中，考虑到测量 豹精度要求不是很高，而数据量较大，选用了1 2 位的a d 转换器。 3 2 1 2 确定 v 转换器的转换速率 a d 转换器从启动转换到转换结束，再到输出稳定的数字量。需要一定的时 间，这个时间即为转换器的转换时间转换时间的倒数就是转换器每秒钟能完成 的转换次数，称为转换速率。 确定a d 转换器的转换速吕时，应该考虑系统的采样速率。根据采样定理和 实际需要，考虑到本系统的实用性，采用转换速率为2 0 0 k h z 的a d 转换器。 3 2 1 3 加何确定是否要加采样保持器 原则上，采集直流信号和变化非常缓慢的模拟信号( 如温度) 时可不用采样 保持器。对于其它模拟信号都要加采样保持器。 3 2 1 4 工作电压和基准电压 有些早期生产的集成a d 转换器需要+ 1 5 v 的工作电压，这就需要多种电源， 而近期开发的a d 转换器可在+ 5 v 一+ 1 5 v 范国内工作如果选择使用单- - + 5 v 工作电压的芯片，可与微机系统共用一个电源，显然比较方便。 基准电压是提供给 d 转换器转换时的参考电压，这是保证转换精度的基本 条件在要求较高精度时，基准电压要单独用高精度稳定电源供给。为保证数据 的转换精度，本论文中选用了专用的基准电压芯片为 d 转换器提供基准电压。 3 2 1 5 输出接口 a d 转换器的输出接口一般分为并行接口和串行接1 3 。并行接口更快且具有 高的转换速率，而且并行接口更容易管理在传输方式上，并行接口是将整个转 1 9 换数据在一个时钟周期里传送出去，需要占用较多的引脚数 串行接口的数据是以串行比特方式传送出去的，可能是转换数据的最高位 ( m s b ) 或最低位( l s b ) 首先被传送，依次类推，在每个串行时钟周期传送，直 到n 比特的转换数据全部被传送出去。串行接口的一个主要优点是占用外围主控 芯片引脚数少，对于接口资源较少的系统来说，串行接口的a d 转换器是最好的 选择。目前随着各种电子产品和测试系统的微型化，采用串行接口的a d 转换器 已形成一种趋势。 3 2 2 系统a d 转换电路设计 本论文所选用的是t e x a si n s t r u m e n t s 公司的模数转换器a d s 7 8 1 7 。a d s 7 8 1 7 是1 2 位的低功耗、全差分模拟输入、具有串行输出接口的连续逼近型a d 转换器， 最高采样率为2 0 0 k h z ，输入分辨率在4 9pv 1 2 2 m y 之间 6 1 。 差分输入、小功率、自动降功率和小尺寸使a d c 7 8 1 7 广泛应用于电池工作系 统、远程数据采集、多通道系统中。a d s 7 8 1 7 封装形式为d i p 8 。s 0 8 或m s o p 封 装。如图3 2 是a d s 7 8 1 7 的引脚图。 蝴善 图3 3 单端输入 当差分输入时，输入幅度是+ i n 和一i n 输入差，即v + 1 n v i n 。每一个输 入的峰一峰值幅度是v r e f 。但是，因为输入超出1 8 0 。相位，差分电压的峰一峰 值幅度是2 v r e f 。v r e f 值也决定两个输入端的电压范围。本系统中采用差分输入 方式。 电蠢 图3 - - 4 差分输入 a d s 7 8 1 7 要求有外基准电压，基准电压可以是l o o m v 2 5 v 间的任何一个电 压值，v r e f 是基准电压输入端，在本系统中，选用的是+ 2 5 v 的基准电压，由 t i 公司的+ 2 ，5 v 基准电压芯片r e f l 0 0 4 2 5 提供；d c l o c k 为外部时钟输入端， 可以在1 0 k h z ( 6 2 5 h z 转换率) - - 3 2 m h z ( 2 0 0 k h z 转换率) 问改变，用作串行输 出的同步时钟：c s 是片选信号线，低电平有效；d o u t 为转抉的数字量输出端。 转换结束后，在外部时钟d c l o c k 的同步脉冲下，转换结果由d o u t 在1 2 个时钟 周期里依次串行输出，最高有效位( b 1 1 ) 先输出，当最低有效位( b o ) 输出后，在 后续的时钟里将重复输出数据，这时是最低有效位( b o ) 先输出，直到最高有效 位( b 1 1 ) 输出，此时d o u t 处于触发状态，接着而来的d c l o c k 时钟对交换无效。 只有当c s 由高返回低时，才开始新的转换。其时序图如图3 6 - - 一h 。- 一 酾鼎厂 1r k a 卜一p o 旧诹确叫 。渊嗣几n 门几几nn nn 几几几几几几n 几门几几几nn n nn 曩絮凰 ”眦 t 粥掣蹦掣叫叫下刈瑙划蹦砌矿 b 4 竺 _ k 上h 一二二i 图3 5a d 5 7 8 1 7 采集时序图 a d 通道接口设计电路原理图如图3 6 所示。 2 1 a 船 r 奇1 0 0 4 - 2 5 图3 6 o 接口电路 其中r e f l 0 0 4 - 2 5 是t i 公司的2 5 v 基准电压芯片，为a d s 7 8 1 7 提供2 5 v 的基准电压。它接线简单，体积小，功耗低，温度稳定性好。 a d s 7 8 1 7 的逻辑控制比较简单，其过程为；c s 信号由高交低时，该芯片被 选中，转换开始。当转换结束后，o u t 引脚在外部时钟d c l o c k 同步脉冲下串行 输出转换数据，输出的数据由系统中负责逻辑控制的f p g a ( 现场可编程门阵列) 接收、处理。再通过u s b 接口发送到主机。其中的c s 信号和d c l o c k 信号都是由 f p g a 产生。具体的实现过程在f p g a 逻辑控制设计的相关章节中详缅描述。 3 3u s b 接口电路设计 3 3 iu s b 接口芯片选型 u s b 接口芯片负责实现功能设备和u s b 主机闻的数据传输，它是构成u s b 功 能设备的必需器件，负责解释u s b 协议，进行数据的编码和解码等。通常这些 u s b 芯片都含有多个驱动外围电路的i 0 口，以实现u s