（机械设计及理论专业论文）基于usb主机的数据采集系统的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于u s b 主机的数据采集系统的研究 摘要 u s b ( 通用串行总线) 技术正在迅速发展，u s b 协议从1 1 过渡到2 0 ，而作为其 最重要指标的设备传输速度也从1 5 m b p s 的低速和1 2 m b p s 的全速提高到如今的 4 8 0 m b p s 的高速。简单来说，u s b 系统包括两个部分：u s b 主机与u s b 外设。目前， u s b 外设的技术和开发已经非常成熟，各种u s b 设备也是随处可见。而u s b 主机一般 都是基于p c 机。相对于p c 机上的丰富资源，嵌入式系统中有限的资源给基于嵌入式 系统的u s b 主机系统的开发带来很大难度。但嵌入式u s b 主机系统在数据存储和交换 领域具有很好的应用前景。 本论文详细的分析了u s b 系统的拓扑结构和通信结构，以及u s b 协议的框架和设 备类协议，将u s b 主机应用到便携式数据采集系统中来，设计成一个基于u s b 主机的 数据采集系统。硬件部分采用c y g n a l 单片机c 8 0 5 1 f 0 2 1 作为u s b 主机的c p u 芯片和 c y p r e s s 公司的s l 8 1 1 h s t 作为u s b 主机接口芯片。试验板设计简洁，集数据采集、数 据传输和数据存储予一体，并且留有多个i o 口，便于进一步开发。软件部分的关键是 要实现u s b i 1 协议m a s ss t o r a g e 类协议和f a t 文件系统三部分，再加上单片机的数据 采集程序和p c 上数据分析处理的客户应用程序就构成了整个软件系统。 通过对系统的测试和调试，硬件系统完全可以符合要求：软件已经实现部分功能， 可以进一步的简化和开发。整个系统具有简单，快速，使用方便等特点，有很好的应用 前景。 关键词tu s b ( 通用串行总线) ；u s b 主机；u s b 外设；数据采集 - 查些查堂塑主茎堡垒叁 垒墅型 r e s e a r c ho fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d o n u n i v e r s a ls e r i a lb u sh o s t a b s t r a c t u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) t e c h n o l o g y i s b e i n gd e v e l o p e da t f u l l s p e e d u s b s p e c i f i c a t i o n1 1u p d a t e s t ou s b s p e c i f i c a t i o n2 0 t r a n s f e r i n gs p e e do f d e v i c e sw h i c hi st h e m o s ti m p o r t a n tg u i d el i n eo fu s bs p e c i f i c a t i o ni se n h a n c e df r o ml o ws p e e do f1 5 m b p sa n d f u l ls p e e do f1 2 m b p st oh i g hs p e e do f4 8 0 m b p s i ng e n e r a l ，u s bs y s t e mi n c l u d e st w o s u b s y s t e m s ：u s bh o s ts y s t e ma n du s bs l a v es y s t e m a tp r e s e n t , t h et e c h n o l o g ya n d d e v e l o p m e n to f u s bs l a v es y s t e mh a v eb e e na l r e a d yv e r ym a r t r e a n d a l lk i n d so f u s bs l a v e d e v i c e sh a v eb e e nv e r yp o p u l a r u s bh o s ts y s t e ma l w a y sb a s eo nt h ep c ( p e r s o n a l c o m p u t e r ) h o w e v e r , i m p l e m e n t so f u s b h o s ts y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds y s t e me n c o u n t e r m a n yd i f f i c u l t i e sb e c a u s eo fa b u n d a n tr e s o u r c e so nt h ep ca n dl i m i t e dr e , s o u l e so nt h e e m b e d d e ds y s t e m b u te m b e d d e z lu s bh o s ts y s t e mh a sf i n ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ef i e l d s o f d a t as t o r ea n dd a t ae x c h a n g e i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h eo p o l o g ya n dc o r r e s p o n do fu s b s y e t e mi sa n a l y z e dd e t a l l e d l y a n du s bh o s ts y s t e mi sa p p l i e dt od a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n dad a m a c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nu s bh o s ti sf o r m e d mt h ed e s i g no f h a r d w a r e ，s i n g l ec h i pp r o c e s s o rc 8 0 5 1 f 0 2 1o f c y g 船1i sa d o p t e da st h ec p uo f u s b h o s ts y s t e m ，a n ds l 8 1 1 h s to f c y p r e s s c o r p o r a t i o ni s a d o p t e da st h ei n t e r f a c ec h i po f s y s t e m a n dt h ek e y so f t h es o r w a r ea r er e a l i z a t i o n so f u s b s p e c i f i c a t i o n1 1 ，m a s ss t o r a g ec l a s ss p e c i f i c a t i o na n df a t f i l es y s t e m t h e s et h r e ep a n s , a d d i n gt h ed a t aa c q u i s i t i o np r o g r a ma n dc l i e n ta p p l i c a t i o np r o g r a m ，f o r me n t i r es o f t w a r e s y s t e m t h e t e s t i n ga n dd e b u g g i n gt ot h es y s t e mi n d i c a t et h a tt h eh a r d w a r eo fs y s t e mi su pt ot h e m u s t a r dc o m p l e t e d l ya n dt h es o t t w a r ec a ni m p l e m e n t p a r tf u n c t i o n ，w h i c hc a nb ep r e d i g e s t e d a n de x p l o r e d t h ew i d es y s t e mh a v es o m es p e c i a l t i e s ：s i m p l e n e s s ，s p e e d i n e s s ，c o n v e n i e n c e a n ds oo n a n dt h es y s t e mh a sf i n ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：u s b 亿7 n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ；u s bh o s ts y s t e m ；u s bs l a v es y s t e m ；d a t a a c q u i s i t i o n - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：殇波 e t期：a 盯瑶，z w 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导老师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意ni - 交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北太学硕士学位论文 第一章概述 第一章概述 1 1 课题研究的背景 1 1 1 数据采集系统的简介 将模拟信号( a n a l o gs i g n a l ) 转换为数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) ，并进行存储和计算 机处理显示的过程称为数据采集，而相应的系统则为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，简称d a s ) 。数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采 集、存储、处理及控制等工作，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成 了现代检测技术的基础l l j 。 图1 1 数据采集系统示意图 f i g 1 1s k e t c hd i a g r a mo f d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m 由于数据采集技术可以使许多抽象的模拟量数字化，进而给出其量值，或通过信号 处理对该模拟最进行分析。与模拟系统相比，数字系统具有精度高、可靠性高等优点， 因此，数据采集技术的应用越来越广泛。如温度、压力、位置、流量等模拟量，可以通 过不同类型的传感器将其转换为电信号模拟量( 如电压、电流或电脉冲等) ，再通过适 当的信号调理将信号送给模拟数字转换器( a d c ) ，使其转换为可以进一步处理的数字 信号送给数字信号处理器或微处理机。反之，数字信号处理器或微处理机可通过数字模 拟转换器( d a c ) 将其产生的数字信号转换为模拟信号，再通过信号调理进行输出。图 东北大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 即为数据采集系统的示意图。 1 1 1 1 数据采集技术涉及到的相关技术 微信号检测技术：是用来提高测量精度的技术，它利用物理学、电子学、信息论、 和计算机技术等学科成果，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相干性， 测量被噪声淹没的微弱有用信号。它是测量技术中的综合技术和尖端领域。其任务就是 研究微弱信号检测的理论，探索新方法，研制新设备，解决各学科领域中的应用问题。 传感器技术：传感器技术的发展正处在方兴未艾的状态。目前，微型计算机的迅速 普及与发展以及强大的社会需求成为传感器技术发展的两殷巨大的推动力，促使传感技 术飞速地发展，并表现出以下几个方面的趋势： ( 1 ) 采用新原理，开发新型传感器： ( 2 ) 开发物性型传感器： ( 3 ) 传感器的集成化； ( 4 ) 传感器的多功能化，传感器的智能化( s m a r ts e n s o r ) ； ( 5 ) 研究生物感官，开发仿生传感闭。 电子学及计算机技术：单片微型机( 简称单片机) 自从2 0 世纪7 0 年代问世以来， 得到了快速发展，从早期的8 位到现在的3 2 位，其硬件资源和软件资源不断丰富与完 善。单片机由于其集成度高、体积小、抗干扰能力强和价格低廉，具有独特的控制功能， 它已经成为计算机世界中的重要成员。近年来，单片机在智能化仪表、家用电器、工业 过程控制等诸多领域获得了广泛应用，研究成果陆续涌现。可以预见，在当今的信息化 时代，单片机的应用前景十分广阔。 1 1 1 2 数据采集系统的类型 工业上使用的数据采集系统大致可分为四种类型： ( 1 ) 基于通用微型计算机( 如p c 机) 的数据采集系统。这种系统主要功能是将采 集来的信号通过外部的采样和a d 转换后的数字信号通过接口电路送入微机内进行处 理，然后再显示处理结果或经过d a 转换输出。该系统的特点如下：系统软硬件的应用 配置比较小，成本较高，但二次开发时有较好的软硬件扩展能力，具有较强的软、硬件 支持和自开发能力。 ( 2 ) 基于单片机的数据采集系统。它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采 集系统，是近年来微机技术快速发展的结果。其特点是：性价比佳、可靠性好、使用方 便，但不具有自开发能力。 ( 3 ) 基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统。d s p 数字信号微处理器从理论 2 东北大学硕士学位论文苎二主垫鎏 上而言就是一种单片机的形式，常用的数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用d s p 芯片，一种是通用d s p 芯片。基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下： 精度高、灵活性好、可靠性好、容易集成、分时复用等，但同时其价格不菲。 ( 4 ) 基于混合型计算机采集系统。这是一种近年来随着8 位单片机在计算机应用 领域中迅速发展的一种系统结构形式。它是由通用计算机p c 机与单片机通过标准总线 ( 例如r s 2 3 2 4 2 标准) 相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专为数据采集等 功能的要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打 印、图形显示等任务。 1 1 2 数据采集系统的历史与发展 数据采集系统起始于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，目标是颡4 试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且钡l 试任务是由 测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活 性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。 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 设备瓤系统多属于专用的系统。 2 0 世纪7 0 年代中后期。随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一 体的数据采集系统。由予这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和 专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从7 0 年代起，数据采集系统发展过程中 逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用 的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行 数据总线。 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。该阶段韵数据采集系统主要有两类，一类以仪器 仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。例如，国际标准i c e 6 2 5 ( g p i b ) 接口 总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用予实验室，在工业生产现场也有一定的 应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成例如：s t d 总线系统是这一类的典 型代表a 这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一 台计算机控制。第二类系统在工业现场应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改 变，只需将新的仪用电缆接入系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重 建，显然，这种系统比专用系统灵活得多。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了 极大的变化，工业计算杌、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，功舱成倍增加，数据处理能力大大加强。 3 东北大擘硕士学位论文 第一章概速 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 电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断堤高，出 现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统( d a s ) 。目前有的d a s 产品精度已达1 6 位，采集速度每秒达到几十万次以上。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。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应 用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地 组成一个新的系统。 该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，采样频率可以达 到l o o m s p s 。由于采用了高密度，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腹用。 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。其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 5 l 和底层的设 备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生 产环节的在线实时数据采集与监控嘲。 1 1 3u s b 的出现和发展 i i 3 1u s b 的应用 u s b ( u n i v e r s a is 盯i a l b u s ) ，即通用串行旒线，在几年前，对于国内大多数普遥的p c 机用户来说，还是个新鲜词。那时，市面上能买到的u s b 的设备是非常有限的，基本 上局限于常用的计算机外设，如u s b 光驱、打印机等。然而，时至今日，u s b 设备已 经随处可见，它们正在铺天盖地的进入计算枫市场，进入寻常百姓家。在电予市场走一 阕，就可以找到一大堆u s b 设备；u s b 闪盘，u s b 移动硬盘，u s bm p 3 播放器，u s b 数码相机，u s b 键盘、鼠标、手柄等等，好像所有计算机硬件都和u s b 有关。 1 1 3 2u s b 的出现和发展 p c 上使用的绝大多数外设基于接口实现，以前一般使用并口或串口与计算机连接 但是，随着计算机技术的飞速器展，这些接口已经无法满足p c 与外设之间不断提高的 速度以及稳定性、易用性等要求，并且给p c 系统的设计者带来越来越多的麻烦，也给 4 ， 东北大学硕士学位论文第一章概述 用户的使用带来诸多的不便。这一现象，已大大限制了计算机的发展，成为计算机功能 扩展的桎梏。旧的接口体系的缺陷就要求新的接口标准的诞生。 1 9 9 4 年1 1 月，以i n t e l 为首的7 家公司( 美国的i n t e l 、c o m p a q 、m i c r o s o f t 、m m 、 d e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 以及日本的n e c ) 推出了u s b 协议的第一个草案。u s b 可把 多达1 2 7 个外设连到用户的系统上，通过协议来共享u s b 的带宽。 1 9 9 6 年2 月和1 9 9 7 年，u s b l 0 协议版本和u s b l 1 协议版本发布后短短几年内， u s b 不仅成为了p c 主板上的标准接口，而且成为了所有p c 外设与p c 相连的标准协 议之一，迅速占领了计算机中、低速外设的市场。 2 0 0 0 年公布的u s b 2 0 协议版本更是将带宽提高了近4 0 倍，达到了4 8 0 m b p s ，已经 成为目前u s b 设备的主流 4 1 。 1 1 4 市场上的数据采集系统 目前市场常见的数据采集系统主要有p c i 数据采集卡和通用便携式数据采集系统 ( 采用u s b 接口) 。 图1 2 数据采集卡 f i g 1 2 d a t aa c q u i s i t i o nc a r d 图1 2 是k p i c 系列的一款k p c i 8 1 7 数据采集卡。 图1 3u s b 数据采集仪 f i g 1 3 u s bd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e - 5 东北大学硕士学位论文 第一章概速 图1 3 是一款w s 5 9 2 1 系列便携式u s b 数据采集仪。 目前数据采集系统的性能很高：分辨率最高的可达1 8 - b i t ；采样率多通道可达 i m s s ，单通道甚至能达到1 2 5 m s s ；1 6 3 2 路模拟输入；2 4 4 8 路数字i o ：3 2 - 位计数 器等等。 1 2 课题研究的意义 便携式的数据采集系统很早就出现了，一般都是用单片机采集数据，存储在自身所 带的内存中，数据采集结束后，再传输到p c 中进行数据处理。随着单片机技术的不断 发展，单片机功能越来越强大，采集速度和糟度也越来越高，可是数据的导出传输速度 却始终无法得到提高，特别是在数据嚣很大的情况下，其导出时间往往以小时为单位， 这就无法达到实时分析的目的，严重限制了便携式数据采集系统的功能。 u s b 的出现为便携式数据采集系统的传输速度“瓶颈”提供了解决方案。u s b 的 三种速度模式中即使是低速1 , 5 m b p s 也比一般并口或串口快不少，要工作在全速或者高 速，那就更加惊人。要在加入d s p 系统，就完全能做到实时采集和实时分析了。另外， 目前大量使用的u 盘可以替代原来系统中用来存储数据的内存，也可阻硬件部分的成 本。 既然是便携式数据采集幂统，那么它必将脱离计算机独立工作，至少是数据采集部 分要独立工作( 如果不用实时分析的话，可以将储存在u 盘中的数据导入p c 中处理， 毕竟p c 的功能要远远强于单片机) 。这就要求u s b 系统必须是主机系统，能独立控制 数据的传输和存储，这样，就形成了u s b 主机数据采集系统。 u s b 的拓扑结构中居于核心地位的是主机( h o s t ) ，任何一次u s b 的数据传输都必 须由主枫发起和控制，所有的u s b 外设都只能和主机建立间接，任何两个外设之间无 法直接通信。而目前，大量的扮演主机角色的是p c 。因此，目前所使用的u s b 设备都 是u s b 的外设( e l e v a t e ) ，它们都只能与p c 进行文件和数据交换。一旦没有了p c ，这 些设备就“失灵”了。所以，开发u s b 主机系统就成为了本课题研究的重中之匿。 u s b 主机数据采集系统，不同于p c 系统，其难点分析如下： u s b 技术一开始是基于p c 机发展起来的，p c 机中都内嵌了u s b 主机控制器，而 且主机控制器的驱动不需要设备开发的技术人员关心，他们只关心自己所做的设备的相 关驱动。而在嵌入式计算机中开发u s b ，首先需要实现u s b 主机控制器的硬件设计及 其驱动。 在p c 上实现u s b 时p c 具有丰富的可用资源，其中包括高达5 1 2 m b 字节的存储 器2 0 - 6 0 g b 的硬盘以及2 g i - i z 或速度更快的微处理器。此外，五年多来w i n d o w s 以及 u n i x 等操作系统一直支持u s b ，世界上有成千上万的工程师在设计基于p c 的u s b 应 - 6 东北大擎硕士学位论文 第一章概述 用程序和设备驱动程序。而在嵌入式计算机中开发u s b ，由于其资源有限，通常只具有 不超过6 4 k 的存储器，所以要求软件系统必须精简有效率，这也是难点所在。 在单片机系统中的u s b 主机控制器( 主控芯片为c y p r e s s 公司的s l 8 1 1 h s ) 开发难 度比开发一个u s b 设备要大得多，工作量也要大得多。另外，它需要开发者很熟悉操 作系统下的驱动管理机制和u s b 协议中关于主机控制器驱动的部分。这也是许多嵌入 式计算机中开发u s b 的难点所在。 由于在嵌入式中开发u s b 相对是一项较新的技术，只有为数不多的工程师具有这 方面的工作经验，可以参考的资料也相对有限，这样开发工作只能慢慢摸索，不断的改 进才能真正发挥u s b 产品的高速的数据传输的优点。 1 3 课题研究的主要工作 1 3 1 硬件部分 硬件部分的工作包括外围电路的设计，主机电路的设计和传输部分电路设计，以及 电路板的焊制。 首先，外围电路主要是信号的调理，这一部分实验室已有现成的部件，可以不考虑 具体设计，但要注意与主机部分的连接。 然后，主机电路主要是c 8 0 5 1 f 0 2 1 与s l s i l h s t 的通讯连接和电源转换。 接着，传输电路即s l s l l h s t 与u s b 接口的连接。 最后电路板的设计和各种电器件的焊接。 1 3 2 软件部分 软件部分分五大块：信号采集程序的编写，u s b l 1 0 协议的实现，m a s ss t o r a g e 类 协议的实现，f a t 文件系统建立和人机接口程序。 ( 1 ) 信号采集程序。它是主程序，实现对已调理信号的采集，存储和传输，将直 接决定信号采集系统的功能。 ( 2 ) u s b l 1 0 协议。它是实现u s b 传输的关键。 ( 3 ) m a s ss t o r a g e 类协议。本课题采用u 盘做储存设备，而u 盘属于m a s ss t o r a g e 类设备，因此必须实现m a s ss t o r a g e 类协议，才能对u 盘进行读、写操作。 ( 4 ) f a t 文件系统。建立相应的文件系统，就能在u 盘的指定位置进行文件操作， 这也是开发的必要步骤。 ( 5 ) 人机接口程序属于后续开发，本论文暂不涉及。 - 7 - 东北大学硕士学位论文 第二章数据采集系统的接口技术 第二章数据采集系统的接口技术 2 1 数据采集系统常用的接口技术 数据采集系统的采集对象各种各样，但可以分为数字量采集和模拟量采集两类。目 前，常用的采集方式是使用采集板卡。数据采集设备与计算机之间的接1 ：3 可以有多种方 式，如r s 2 3 2 串行口、并行口、i s a 总线、p c i 总线等。 2 1 1r s 2 3 2 串行接口 串行接口是微机应用系统的常用接口，现在的p c 机一般至少有两个串行口。串行 口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位串行传送下去。由于p c 枫 的限制，其最高数据传输率不超过1 1 5 k b p s ，同时传输的距离也不会超过巧米，且p c 机上的串1 2 数目也有很有限。采样系统与p c 接口速度的瓶颈作用会导致一部分数据的 丢失，失去连续采样的意义。 2 1 2 并行接口 目前，计算机中的并行接口主要作为打印机端口，并行接口是在多根数据线上以字 节为单位与输入，输出设备或被控对象传输信息的，这样数据传送速度大大提高，且并行 传送的信息不要求固定的格式，但并行传送的距离受到限制，因为距离增加，干扰就会 增加，容易出错。 2 1 3 i s a 总线 i s a 总线是工业标准结构稿线，又称为a t 总线。它的数据宽度1 6 位，工作频率 8 m i - i z ，数据传输率6 m b s ，处理器的高速度和总线的低速度不同步，造成硬盎、图形 卡和其它外设只能通过一个慢速而且狭窄的通道发送和接收数据，使c p u 的高性能受 到了严重的影响。尽管i s a 总线传输速率低、占用硬件中断资源、不支持即插即用。但 i s a 具有良好的兼容性及广泛的应用，而且这种总线特别适合于控制外设和进行数据通 信的功能模挟。但是随着计算机技术发展，i s a 总线逐渐被淘汰，目前市场上大多p c 机主板已经没有i s a 插槽。 2 1 4 p c i 总线 p c i 是p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ( 外设部件互连标准) 的缩写，它是目前 个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。p c i 插槽也 是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，a t x 结构的主板一般带 有5 6 个p c i 插槽，而小一点的m a t x 主板也都带有2 3 个p c i 插槽，可见其应用 8 东北大擘硕士学位论文 第二章数据采集系统的接口技术 的广泛性。 p c i 是由i n t e l 公司1 9 9 1 年推出的一种局部总线。从结构上看，p c i 是在c p u 和原 来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现 上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持l o 种外设， 并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡声卡，网卡，m o d e m 等设备提供了连接 接口，它的工作频率为3 3 m h z 6 6 m h z 。 最早提出的p c i 总线工作在3 3 m h z 频率之下，传输带宽达到了1 3 3 m b s ( 3 3 m h z x 3 2 b i t 8 ) ，基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，1 9 9 3 年又提 出了6 4 b i t 的p c i 总线，后来又提出把p c i 总线的频率提升到6 6 m h z 。目前广泛采用 的是3 2 - b i t 、3 3 m h z 的p c i 总线，6 4 b i t 的p c i 插槽更多是应用于服务器产品。 由于p c i 总线只有1 3 3 m b s 的带宽，对声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入输出 设备显得绰绰有余，但对性能日益强大的显卡则无法满足其需求。 2 2u s b 通用串行总线 2 2 1u s b 简介 u s b 是一种新的总线标准，它取代当前p c 上的串口和并口，把这些不同的接口统 一起来，使用一个4 针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链形式可以把 所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。u s b 需要主机硬件、操作系统和外设三个方 面的支持才能工作。设计u s b 的目标就是使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的 体系下广泛地使用。该规范改进了便携商务或家用电脑的现有体系结构，进而为系统生 产商和外设开发商提供了足够的空间来创造多功能的产品和开发广阔的市场，并不必使 用陈旧的接口，害怕失去兼容性。u s b 的工业标准是对p c 机现有的体系结构的扩充。 u s b 的设计主要遵循以下几个准则： ( 1 ) 易于扩充多个外围设备： ( 2 ) 价格低廉，且支持1 2 m b p s 的数据传输： ( 3 ) 对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持； ( 4 ) 协议灵活，综合了同步和异步数据传输： ( 5 ) 可以兼容不同设备： ( 6 ) 综合了不同p c 机的结构和体系特点： ( 7 ) 提供一个标准接口，广泛接纳各种设备： ( 8 ) 赋予p c 和新的功能，伸之可以接纳许多新设备。 9 查韭苎兰翌主兰堡垒查 墨三主耋垡墨叁墨苎塑壁! 垫查 2 2 2u s b 的优点 u s b 的优点主要包括以下几个方面【4 】： ( 1 ) 即插即用。这是u s b 的易用性，支持热捅拔和操作系统的自动配置。这样 来，在w i n d o w s 等操作系统工作的情况下就可以接入或拔出u s b 设备，而不用重新 珀动p c 。此外，当u s b 设备第一次接入到p c 时，操作系统可以自动检测到该设备的 接入，并进行配置。如果是h i d 等设备接入p c ，系统甚至可以自动为其安装驱动程序， 而用户不用进行多余的操作，只需开始使用该设备。对于更多的u s b 设备，用户也只 是需要为操作系统提供驱动程序，因此使用起来也很方便。 ( 2 ) 广泛的如硬件支持。软件和操作系统对于u s b 的支持越来越强大，对u s b 设备的支持越来越完备，硬件和半导体厂家所提供的u s b 解决方案和外设产品也越来 越多。 ( 3 ) 低功耗u s b 有一套独特的电气层机制来保证其低功耗。u s b 协议为设备定 义了2 种供电模式：自供电和总线供电。 ( 4 ) 可选择的多种速度模式。u s b 提供了3 种速度模式：低速的1 5 m b p s 、全速 的1 2 1 v i b p s 和高速的4 8 0 m b p s 。不同的速度可满足不同的外设器求。低速设各可以用在 鼠标、键盘等对传输速度要求不高，却要求低成本的外设产品上高速设各则可以在大 容量移动硬盘、光驱和视频传输等领域内大显身手，但成本相对要高一些。而全速设备 应用范围更广，1 2 m b p s 的速度基本可以满足工业和嵌入式领域内的很多场合，比如数 据采集等。 ( 5 ) 完备的总线拓扑结构。u s b 菊花链式的星形总线结构，能够支持1 2 7 个外设 的同时连接，充分满足了外设的需求。以u s bh u b 为“中转站”的模式，大大降低了 u s b 主机的工作负荷，同时提高了设备工作的稳定性。 ( 6 ) 多种设备类。从音频设备、人机接口设备h i d 到大容量存储设备m a s ss t o r a g o ， 几乎各种外设都可以在u s b 中找到相应的支持。 ( 7 ) 硬件结构标准化。u s b 协议规定了2 辩标准的接插件：a 型和b 型。a 型是 下行端口，而b 型则用于上行端口。这样，不同的u s b 设备之间就有了统一的硬件接 插件，使得最终用户使用起来更方便、快捷。 ( 8 ) 低廉的价格 - 1 0 - 东北大学硕士擘住论文 第三章系统的硬件设计 第三章系统的硬件设计 3 1 主要芯片的介绍 主机系统的核心是单片机c p u 和u s b 主机接口芯片，本系统采用单片机c 8 0 5 1 f 0 2 1 作为c p u ，s l s i i h s t 作为u s b 主机接口芯片，本节就是对以上两种芯片的介绍。 3 1 1c p l 卜一- c 8 0 5 1 f 0 2 1 的介绍 c 9 0 5 1 f 0 2 1 属于美国c y g n a l 公司推出的c s 0 5 1 f x x x 系列单片机，其强大的功能 和丰富的资源足以胜任系统的c p u 9 。 3 , 1 1 1c 8 0 5 1 f 0 2 1 的特性和原理 圈3 1 c $ 0 5 1 f 0 2 1 的原理图 f i g 3 1 t h ed i a g r a mo f c 8 0 5 1 f 0 2 1 c 8 0 5 1 f 0 2 1 是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片，具有3 2 个数字i o 引脚。 下面列出了一些主要特性： ( 1 ) 高速、流水线结构的s 0 5 1 兼容的c 球巧1 内核( 可达2 5 m i p s ) ： ( 2 ) 全速、非侵入式的在累统调试接口( 片内) ； 东北走学硕士学位论文 第三章系统的硬停设计 ( 3 ) 真正1 2 位l o o k s p s 的8 通道a d c ，带p g a 和模拟多路开关； ( 4 ) 真正8 位5 0 0 k s p s 的a d c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关； ( 5 ) 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式； ( 6 ) 6 4 k 字节可在系统编程的n a s h 存储器； ( 7 ) 4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m ； ( 8 ) 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口； ( 9 ) 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口； ( 1 0 ) 5 个通用的1 6 位定时器； ( 1 1 ) 具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器，定时器阵列： ( 1 2 ) 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器。 其原理图如图3 1 所示。 3 1 1 2c 8 0 5 1 f 0 2 1 芯片引脚分布 c 8 0 5 1 f 0 2 1 采用1 q f p 6 4 封装形式，其弓l 脚分布如图3 2 所示，引脚具体定义不在 此陈述，可查阅相关资料。 暑誓奄善歪錾壁墨茎；茎釜；吾ll 图3 2c 8 0 5 1 f 0 2 1 的引脚分布 - f i g 3 2 t h ep i nd i 5 t r i b u t i n go f c s o s i f 0 2 1 1 2 东北大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 3 1 1 3c 8 0 5 1 f 0 2 1 的极限参数 c 8 0 5 1 f 0 2 1 单片机的极限参数如下，注慈超过这些列出的极限参数可能导致器件永 久性损坏。 通电情况下环境温度：5 5 1 2 5 0 c 。 储存温度：- , 6 5 1 5 0 0 c 。 任何引脚相对d g n d 的电压v d d 和端口i o 除外) ：o 3 v ( v d d + 0 3 v ) 。 任何端口i o 引脚或r s t 相对d g n d 的电压：- 0 3 5 8 v 。 v d d 引脚相对d g n d 的电压：o 3 4 ，2 v 。 通过v d d 、a v + 、d g 瞳和a g n d 的最大电流：8 0 0 r n a 。 任何端口引脚的最大输出灌电流：1 0 0 m a 。 任何其他啪l 引脚的最大输出灌电流：5 0 m a 。 任何端口引脚的最大输出拉电流：1 0 0 m a 。 任何其他i o 引脚的最大输出拉电流：5 0 m a 。 3 1 2u s b 接口芯片s l 8 1 1 h s t 的介绍 c y p r e s s 公司的s l 8 1i h s t 芯片是一款嵌入式的u s b 主机设备控制器，在本系统中 起到了u s b 主机控制器的作用。 3 1 2 1s l 8 1 1 h s t 的功能横块及特点 s l s l l h s t 的内部功能模块结构如图3 3 所示。 d + d - 图3 3s l 8 11 h s t 的功能模块框图 f i g 3 3 t h ef u n c t i o nm o d u l ed i a g r a mo f s l s i1 h s t s l 8 1 1 h s t 实现的是u s b 主机结构中的第1 个层次，即u s b 总线接口层的功能。 - 1 3 - 东北大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 s i e 实现了数据的串并转换的任务。处理器接口提供了数据、地址和控制信号线，因而 使得s l 8 1 1 h s 可以与一般的单片机、d s p 等控制器进行通信，并受到c p u 的控制。主 ，从模式控制器支持u s b 主机和u s b 设备两种模式。中断控制器通过检测各种u s b 总 线的状态变化，以中断信号的方式报告给c p u 。r a m 方面提供了数据存储的缓冲区， 支持地址自动增加的r a m 访问方式( a a i m ) ，另一方面通过定义各种寄存器控制 s l s l l h s t ，并对u s b 的各种状态进行检测。时钟发生器模块需要外接晶体为整个 s l 8 1 1 h s t 提供时钟。根h u b 集成了u s b 数据收发器，提供u s b 设备的连接点。 基于这些功能模块，s l 8 1 1 h s 的主要特点如下： ( 1 ) 可作为u s b 主机或者是设备的接口控制器( 本设计只利用其主机接盛控制器 功能) ； ( 2 ) 支持u s b 协议1 1 ，提供全速和低速2 种u s b 总线速度方式； ( 3 ) 片上集成了s i e 、单端口根h u b 、u s b 收发器和2 5 6 个字节的s r a m ； ( 4 ) 3 3 v 工作电压，接口兼容5 v 电平； ( 5 ) 硬件自动产生帧起始包s o f 和c r c 5 ，1 6 校验。 3 1 2 2s l 8 1 l h s t 芯片引脚分布 s l 8 1 1 h s t 提供了2 8 引脚的p l c c 和4 8 引脚的t q f p2 种封装形式。4 8 引脚的分 布如图3 4 所示。其中与系统设计相关的引脚共有2 8 个，其余的2 0 个是n c 。 ”“。”0 7 * ” 。饿o 口口dd 0b 口眶。 畦c = z掌瞎 m 口口h 自口l 弹口曲w 掣詈 s l 8 1 1 h s t 詈募 _ 口自 * # j口 口 * 曲躺薯 ”锸nnb b 0 口on 1 宁“言nnnb b 0 口0n r 。 。p 。4 ：。- ：”t 图3 4s l s i1 h s t 的引脚分布 f