（电气工程专业论文）车辆称重装置的数据采集与处理.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 随着我国建设事业的发展，运输事业也快速发展，然而汽车超 载、超重成为运输中的一大问题。公路部门治理车辆超载的称重设 备主要是电子地磅和动态轴重检测仪，电子地磅只能在固定工作场 所进行静态测量，工作效率低；而动态轴重检测仪仅能在车速低于5 k r n h 的运动状态下工作，否则将会产生较大的测量误差。针对传 统称重方法的不足，研究了电容式车辆称重装置，其具有显著的优 点。 本文为车辆电容称重装置设计了一套数据采集与处理系统，提 出了一种用u s b 2 0 总线技术解决数据采集系统接口问题的实施方 案。在对车辆电容称重装置的研究背景、工作原理及通用串行总线 u s b 详细论述的基础上，本文给出了系统的硬件和软件设计。其中 硬件部分详细阐述了u s b 接口芯片选择、a d 模数转换器选择、系 统工作原理、芯片a d 7 8 6 2 与c y 7 c 6 8 0 1 3 的接口设计、u s b 控制器 外围电路设计和电源转换电路设计；软件部分，详细阐述了 c y 7 c 6 8 0 1 3 在g p i f 工作模式下的波形设计过程，编写了u s b 固件 程序、数据传输程序、基于w d m 的u s b 驱动程序以及上位机数据 采集程序。 本文设计的数据采集系统在车辆电容称重装置静态特性试验中 得到应用。通过对试验数据的采集及结果分析，表明：基于u s b 2 0 的数据采集系统，较好的完成了电容称重传感器静态特性测量试验， 江苏大学工程硕士学位论文 系统改变了传统的设计模式，具有操作简单，即插即用，使用方便 等优点，尤其适用于在现场的工作环境。 目前国内外基于u s b 接口的各种应用正处于高速发展阶段，该 系统的研制与开发也可以为其它有同样测量要求的课题提供参考。 关键词：车辆称重，电容传感器，测试与分析，静态性能，数据采 集 i i 江苏大学工程硕士学位论文 a bs t r a c t a sar e s u l to ft h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e m t r a n s p o r t a t i o n ，m o t o r o v e r w e i g h ta n do v e r l o a di sn o wi n c r e a s i n g l yab i gp r o b l e m t r a d i t i o n a l w e i g h i n ge q u i p m e n t si n c l u d i n ge l o a d o m e t e ra n dd y n a m i ca x l el o a d m o n i t o ra r eo f t e nu s e dw h e nt h eh i g h w a yd e p a r t m e n t sd e a lw i t hm o t o r o v e r w e i g h ta n do v e r l o a d b u te - l o a d o m e t e r sh a v et ob ei n s t a l l e di na f i x e dw o r k p l a c ea n dd y n a m i ca x l el o a dm o n i t o r sm u s tw o r kw h e nt h e v e h i c l e s 、s p e e d sa r eb e l o w5k m h ，o rt h e r ew i l lb eb i gm e a s u r e m e n t e r r o r s t h ec a p a c i t i v ev e h i c l e sw e i g h i n gd e v i c et e c h n o l o g yi sab e t t e r s o l u t i o nt ot h e i r d i s a d v a n t a g e s ，i t h a sb e e n a p p l i e dr a p i d l y a n d w i d e s p r e a d l yb e c a u s e o ft h e i rs i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i c s t h i sa r t i c l eh a sd e s i g n e das e to fd a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n s y s t e mf o rt h ev e h i c l ee l e c t r i cc a p a c i t yw e i g h i n ge q u i p m e n t ，p r o p o s e d a ni m p l e m e n t a t i o np l a nw i t ht h eu s b 2 0m a i nl i n et e c h n o l o g yt os o l v e t h e d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m c o n n e c t i o n q u e s t i o n a r e r d e t a i l e d d i s c u s s i o no ft h ev e h i c l ee l e c t r i c c a p a c i t yw e i g h i n ge q u i p m e n t s r e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h ep r i n c i p l eo fw o r k ，d e t a i l e dd i s c u s s i o no f t h eu n i v e r s a ls e r i a lb u st e c h n o l o g y , t h i sa r t i c l eh a sg i v e nt h es y s t e m h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r ep a r te l a b o r a t e dt h eu s b c o n n e c t i o nc h i pc h o i c e ，t h ea dm o d u l u ss w i t c hc h o i c e ，t h es y s t e m p r i n c i p l eo fw o r k ，c h i pa d 7 8 6 2a n dt h ec y 7 c 6 8 0 13c o n n e c t i o nd e s i g n ， i i i 江苏大学工程硕士学位论文 t h eu s bc o n t r o l l e rp e r i p h e r yc i r c u i td e s i g na n dt h ep o w e r - s w i t c h i n g c i r c u i t d e s i g n i nd e t a i l ；t h es o f t w a r e p a r t ，e l a b o r a t e d i nd e t a i l c y 7 c 6 8 0 13u n d e rt h eg p i fw o r k i n gp a r e m p r o f i l ed e s i g np r o c e s s ，h a s c o m p i l e d t h ef i r m w a r e p r o c e d u r e o fu s b ，t h ed a t at r a n s m i s s i o n p r o c e d u r e ，u s bd r i v e rb a s e do nt h ew d m a n dt h eh o s td a t aa c q u i s i t i o n p r o c e d u r e t h i sa r t i c l ed e s i g n st h e 、d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi nt h ev e h i c l e e l e c t r i cc a p a c i t yw e i g h i n ge q u i p m e n ts t a t i cc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t o b t a i n st h ea p p l i c a t i o n t h r o u g ht ot e n t a t i v ed a t ag a t h e r i n ga n dt h e r e s u l ta n a l y s i s ，i n d i c a t e dt h a t ：b a s e do nt h eu s b 2 0d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，g o o dc o m p l e t e dt h ee l e c t r i cc a p a c i t yw e i g h i n gs e n s o r s t a t i c c h a r a c t e r i s t i cs u r v e ye x p e r i m e n t ，t h es y s t e mc h a n g e dt h et r a d i t i o n a l d e s i g np a r e m ，h a dt h em e r i t so fo p e r a t i o nt ob es i m p l e ，n a m e l yi n s e r t e d u s e sa n de a s yt ou s e ，w e r es u i t a b l ee s p e c i a l l yf o ri nt h es c e n ew o r k i n g c o n d i t i o n s a tp r e s e n t ，d o m e s t i ca n df o r e i g nt h ea p p l i c a t i o ni sb e i n ga tt h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n tp h a s eb a s e do nu s bc o n n e c t i o nt e c h n o l o g y , t h i s s y s t e md e v e l o p m e n ta n dt h e 。d e v e l o p m e n ta l s om a yh a v et h es i m i l a r s u r v e yr e q u e s tt o p i cf o ro t h e rt op r o v i d et h er e f e r e n c e k e y w o r d s ：v e h i c l ew e i g h i n g ，c a p a c i t a n c et r a n s d u c e r ，d a t aa c q u i s i t i o n ， e x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ，s t a t i cp e r f o r m a n c e i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将 本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密。 学位论文作者签名：7 畚捣 缈p 智年i j 月工。日 指导教师签名： 三嗡年| 孙心b 昆杆。 l 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：f 尔榻 e l 期： ? p d 多年i1 月j de l 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 车辆电容称重装置的研究背景 近年来，我国公路运输车辆超载现象极为普遍，对公路寿命，交通安全，运 输市场及汽车生产秩序造成了极大危害，一是诱发了大量交通安全事故，据统计， 7 0 的道路交通安全事故是由车辆超载引发的，5 0 的群死群伤性特大道路交通事 故与超载有直接联系。二是严重损坏了公路的基础设施。超载车辆的载荷严重超 过了公路和桥梁设计的设计承受载荷，致使路面损坏，桥梁断裂，设计使用寿命 大大缩短。根据东南大学超限( 载) 运输对公路使用性能影响的研究课题的 研究，国内很多沥青路实际服务年限只有设计服务年限的4 5 0 4 2 2 9 0 6 ，平均 5 7 4 5 ，水泥路实际服务年限只有设计服务年限的1 3 7 8 2 9 8 2 9 平均2 9 3 6 。 以乌盟公路路网为例，从2 0 0 0 年到现在，一直处在先建后损、屡修屡坏、这半幅 正修那半幅又损的困境中，截止2 0 0 2 年底乌盟境内干线公路1 1 3 8 k i n ，由于两超运 输肆意碾轧，导致公路路面2 7 受损。其中国道路面受损率为3 4 ，省道为2 0 。 就1 1 0 国道而言，桥粱被损竟高达5 7 。不断的翻修，不仅需要投入巨额的维修费 用，而且翻修的过程也影响了公路的正常运行，阻碍了货物的正常流通。全国公 路因车辆超载造成的损失达n 3 0 0 亿元( 1 】，给国家财产造成了巨大损失。三是导致 了道路运输市场的恶性竞争。以竞相压价承揽货源，以超载获取利润，超的越多， 盈利越多，形成了“压价一超载一运力过剩一再超限超载”的恶性循环。四是形成了 车辆“大吨小标”泛滥。为了迎合车辆超载运输的需求，一些汽车生产商争相生产“大 吨小标”车，一些汽车修理厂和改装厂也纷纷非法改装车辆，影响了汽车工业的健 康发展。上述问题说明，车辆超载运输造成道路运输市场的扭曲，诚信水准下降， 严重损坏了统一开放、竞争有序的市场秩序，阻碍了现代道路运输市场体系的建 立和完善，破坏了正常的社会经济秩序，也严重危及国家和人民生命财产安全。 道路运输车辆超载的危害性，引起了党中央、国务院的高度重视。2 0 0 0 年， 国家发布了控制超载的关于加强对机动车超载违章管理的通知( 公交管 2 0 0 0 1 6 6 江苏大学工程硕士学位论文 号) ，2 0 0 3 年1 2 月，温家宝总理在交通部上报的关于加强车辆超限超载治理工 作的报告上做出了“要治理就要坚决治好，不能半途而废”的重要批示。2 0 0 4 年 由交通部、国家发改委、国家质检总局、国家工商总局、国务院法制办、国家安 监局等七部委联合制定了关于在全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案。 2 0 0 5 年交通部出台了收费公路试行计重收费指导意见，全国许多省份针对于收 费公路的计重收费设备和超载检测设备相继步入新设备试点运营、大规模设备采 购和旧产品更新换代的调研阶段。根据上述形势，需要有切实可行的汽车载荷检 测方法，以有效地控制车辆超载。 目前，我国公路部门治理车辆超载完全靠称重的方法【2 卅。称重装置分为固定 式和便携式两种。固定式有电子磅( 又称电子汽车衡) 和计重收费系统两种。电 子磅主要用于普通公路上设的车辆超载检查站。稽查人员一般根据目测预判车辆 是否超载，勒令可疑车辆驶入路边的检查站，用电子地磅静态称量车辆重量，以 判断车辆是否超载。该方法存在以下弊端： ( 1 ) 须拦截车辆，令其驶上称台，不仅效率低，而且影响其他车辆的行驶和道 路畅通，并有可能诱发交通事故，危及稽查人员的人身安全； ( 2 ) 由于主干道上没有称重装置，有时会造成超载车辆逃避检查； ( 3 ) 检查系统结构大、质量重，无法携带，且安装困难。 我国的高速公路上主要采用计重收费系统检测车辆重量【7 9 1 。这种装置由动态 轴重仪检测车辆的每根轴重，红外线分离出每一个车辆，计算机计算出该车的重 量。动态轴重仪安装时需要在路面上挖坑，埋设在收费站车道上【l o 】，费工又破坏 路面；红外线车辆分离器安装在车道两侧，实践证明冬天温度较低时，分离器玻 璃表面结霜，影响红外线的发射和接收，无法正确分离车辆，造成装置不能正常 工作；由于轴重仪的工作台面小，不可能同时称出整车所有轮的重量，因而也就 不能做到不停车称重。 便携式动态轴重检测仪由稽查人员临时将取样用的感应器铺放在车辆经过的 车道上，车轮从感应器上轧过时，计量出轮重，整车所有轮重之和即为车重。这 种设备携带方便，但它也有如下不足： ( 1 ) 被称车辆将要到来时，稽查人员匆忙将感应器放在车轮下，容易出安全事 2 江苏大学工程硕士学位论文 故； ( 2 ) 由于感应器放置的匆忙，感应器的面积又较小，位置可能会与车轮对不正， 造成计量结果偏低； ( 3 ) 部分产品的感应器只有一个，实际只称出单侧轮重，若车辆货物装偏时， 计量结果会有较大误差； ( 4 ) i t 常工作时，被检测车辆的车速要低于5 k m h ，实际检测完一辆整车最快 也需5 m i n ，工作效率低，车辆较多时会造成堵车； ( 5 ) 不能做到不停车称量。 上述称重装置都采用电阻应变式称重传感器，电阻应变片粘贴在弹性体的表 面，长期工作后弹性体的刚度降低，会造成计量值偏高【1 1 1 2 l 。这些称重装置的体 积庞大，结构复杂，安装困难，破坏路面，工作效率低且欠可靠，不能有效地遏 制车辆超载现象，而且费用昂贵，一套高速公路车道用计重收费系统约需5 0 万元。 国外发达国家车辆超载现象比较少， 英国有一些公司生产车辆称重产品【1 3 之o 】， 多为电子地磅和便携式动态轴重检测仪， 有用于公路计重收费系统的动态轴重仪。 车辆称重装置的应用也比较少。美国和 其他国家相对较少口1 - 2 3 1 。他们的产品大 适用于在固定的检测站进行测量，很少 他们用的传感器也大都与国内相同，为 变阻式传感器。目前国外最先进的检测方法是瑞士k i s t l e r 有限公司的动态称重系 统( w w w k i s t l e r c o m ) ，它只适用在大型检查站进行固定安装检测，并且采用石英 晶体传感器，不仅价格昂贵，而且无法进行静态和准静态称重测量。国外车辆称 重装置的应用目的与我国不同。我国主要用来检查和惩罚超载车辆，而他们大多 数只是用来测量车辆所装货物的质量。 随着车辆称重技术的发展，其发展的重点和基本方向，一是大力研究和普遍 采用动态称重系统。从传统静态称重方式转变到不停车称重发展阶段，由此大大 提高了车辆超载治理的经济社会效果，适应了汽车交通量迅速增长的需要。二是 分化和集成两极方向发展。车辆称重技术的分化，主要体现在以各类传感器为基 础，发展适应不同用户需要的各种精度和功能的专用称重系统上，如电容式、压 电式、石英晶体式和光导纤维式称重系统等。车辆称重技术向集成化方向发展， 则主要是其自身与其他技术进行结合或融合，以实现车辆称重过程的自动化和智 江苏大学工程硕士学位论文 能化、称重功能的多用途化等。 针对形势需要和现有汽车载荷检测方法的不足，设计了一种车载式电容称重 传感器和采用该传感器的车辆载荷检测装置【2 4 1 。该传感器为车载式，利用车辆本 身钢板弹簧的变形检测车辆载荷。通过对电容传感器的结构进行优化设计，使其 能够适应车辆工作的恶劣环境，便于识别车辆载荷，并且对不同车型有一定的通 用性。司机能由安装在驾驶室内的显示器随时知道车辆载荷值，并且在车辆超载 时能自动切断车辆的燃油供给管路，使得车辆不能发动。稽查人员通过手持装置 或车辆无线通讯可得知车辆载荷值。并能定期校准车载装置的测量准确性。这种 装置结构简单，成本低廉，安装方便，电容传感器抗干扰能力强、稳定性能好， 电容极板间不接触、极板不变形、不磨损、不锈蚀、寿命长。 1 1 2 车辆电容称重装置概述 目前，电子衡器中广泛采用电阻应变式称重传感器，由于受应变极限的限制， 这种电阻式传感器的金属应变丝电阻的相对变化一般低于l ，并且，应变丝的阻 值受温度的影响很大。与之相比，电容传感器电容值的相对变化量可大于1 0 0 ， 因此，测量范围大得多；电容传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承， 能承受很大的温度变化。另外，电容传感器还具有灵敏度高、动态响应时间短、 机械损失小等优点。电容车辆称重装置用的就是柱式变极距电容称重传感器【2 5 】。 1 1 2 1 电容称重传感器的结构及工作原理 电容称重传感器由上极板部件1 和下极板部件8 组成，上极板部件的绝缘体2 内密封有上屏蔽板3 和电容上极板4 ，下极板部件的绝缘体7 内密封有电容下极板 5 和下屏蔽板6 。电容极板引线采用屏蔽线，屏蔽层两端分别接屏蔽板和电容测量 线路的地。为了避免下极板部件的上表面过多积聚污物而影响传感器的电容值， 其上表面做成球面。图1 1 为电容称重传感器的结构简图。 4 江苏大学工程硕士学位论文 图卜l电容称重传感器的结构简图 车辆载荷f 作用在承重头上，通过承重柱向下压承重弹簧，承重弹簧产生压缩 变形。由物理学知道，变形量与弹簧刚度和载荷跎间的关系为f = k x 。弹簧变形的 结果使电容上极板与电容下极板之间的距离减+ 6 4 a d = 曲，极板间的电容增大 a c 。预先标定出在不同载荷下传感器的电容值，以后就可以通过测量极板间的电 容值而得到载荷的质量。 1 1 2 2 电容称重传感器的测量线路 受车体结构尺寸和钢板弹簧最大变形量的影响，电容传感器的面积不可能很 大，极板间的距离相对较大，因而极板间的电容值相应较小，往往会1 ：1 ：l p f 还小。 而电容极板引线与地之间的杂散电容却会远远大于被测电容。因此，不具有消除 杂散电容影响能力的一般电容测量线路难以精确测量被测电容。设计中选用四相 检测电荷转移式微电容测量线路【2 6 之7 】，它具有很强的消除杂散电容影响的能力， 测量电容的分辨率达n o 0 0 1 p f ，灵敏度高于1 v p f 。通过非线性信号转换成线性信 号的电路设计【2 8 】，使电容传感器测量的载荷质量与转换的电压信号之间呈线性关 系，符合人们的计量习惯。 1 1 2 3 电容传感器的安装 电容传感器的上极板部件通过图1 1 中的孔1 0 安装在车架下面，下极板部件 通过孔9 安装在轮轴中部的上方，两极板上下对正。屏蔽板接电容测量线路的地。 车轮的每根轮轴上方均安装一套电容传感器。安装示意图见图l 一2 。 江苏大学工程硕士学位论文 图1 - 2 车载式电容称重传感器安装示意图 图中l 车架：2 上电容极板部件； 3 一钢板弹簧；4 一下电容极板部件；5 一轮轴。 为避免车辆工作时上、下极板部件之间碰撞，安装时二者之间的距离应大于 车辆缓冲减震机构( 例如钢板弹簧) 的最大变形量约2 0 m m 。 1 1 2 4 车辆电容称重装置工作原理 若车辆共有前后2 根轮轴时，车辆电容称重装置电路框图见图1 3 。 。 前轴倍感器 图1 3 车辆电容称重装置电路框图 工作原理：前后传感器将载荷的变化转变为电容的变化：电容测量电路将电 容值转换为电压值；数据采集系统将传感器输出的电压值进行a d 转换，通过u s b 数据总线与计算机进行通信，将采集到的含有电压信息的数字量信息存储到计算 机中，借助于计算机中面向对象的数据采集软件，可以将结果进行分析、计算、 曲线拟合和绘图。数据运算、处理后，将整车载荷值送给数字显示器；当车辆载 荷超载时，输出油路控制信号。 6 江 苏大学工程硕士学位论文 1 1 3 数据采集系统的研究背景 数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后， 再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在工业生 产和科学技术研究等行业中，常常需要利用p c 机或工控机对各种数据进行采集处 理。而对于一个数据采集系统来说，它主要完成数据信息的采集与a d 转换，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。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，比如工业应用中的液位、温度、压 力、频率等数据采集系统；工业控制中现场数据的采集设备；生物医学方面的电 生理信号的采集系统，机场、商场等人流量大或比较重要的场所安装的监控设备、 家庭影院、视频会议、可视电话等多媒体设备。 现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、图 像处理等一些高速、高精度的测量中，需要进行高速数据采集。以往通用的高速 数据采集片一般多是p c i 片或i s a 片，存在以下缺点：安装麻烦；价格昂贵；受 计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁干扰性强的测 试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。针对这些问题，急需 采用新的技术解决。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口技术的发展，为人们找到了解决上述困扰的 途径。u s b 是为了解决传统总线不足而推广的一种新型通信标准。u s b l 1 的数据 传输率可达1 2 m b p s ，u s b 2 0 的数据传输率可达到4 8 0 m b p s 。对于数据采集系统 来说，u s b 具有不可比拟的优点： ( 1 ) u s b 采用差分传输方式，具有很好的传输可靠性。设备的控制、管理和信 息交换完全是由系统软件按照u s b 协议进行传输，因此不存在设备占用资源冲突 而导致系统紊乱的问题； ( 2 ) u s b 技术具有开放性，是非营利性的规范，得到了广泛的工业支持； ( 3 ) 对于p c 用户来说，u s b 实现了真正的即插即用和热插拔，当用户需要将 外设连接到p c 机上进行功能扩展时，只需要将外设的联线插入p c 机的u s b 接口 上就可以了，其余由操作系统来完成； ( 4 ) u s b 可连接多达1 2 7 个外设，简单方便的扩大了p c 机接口能力； 7 江苏大学工程硕士学位论文 ( 5 ) 对于工业应用来说，u s b 本身就是一个工业级总线标准，其可靠性等级可 很好的满足工业现场测量控制的要求； ( 6 ) 由于其所具有的外挂性特点，可很好的满足工业测量的环境要求，很容易 的实现完全的光电隔离，对于测量系统的改变和扩展显得非常容易方便。 综上所述，如何将u s b 2 0 接口应用到高速数据采集中，是今后数据采集系统 的一个研究方向。 1 2 通用串行总线u s 8 概述 1 2 1u s b 的产生与发展 随着计算机微处理芯片性能的飞速发展，个人计算机( p c ) 在科研、军事、商业 以及日常生活中发挥着越来越重要的作用【2 9 1 。在u s b 产生之前，外设与p c 机的通 信主要是通过p c 机主板所提供的各种接口来实现的，如i s a 接口、p c i 接口、p s 2 接口、串行接口、并行接口等。这些老式的接口最初是由i b m 公司在2 0 世纪8 0 年代 早期设计提出的，存在很多缺陷： ( 1 ) 它们是非共享式接口。只支持单个外设的连接，即在同一时刻一个接口只 能连接一个外设；而当前p c 机接口的数量是有限的，根本无法满足大量的外设连 接需要，这时，p c 机的可用接口就显得越来越紧张了。目前对p c 进行功能扩展的 一种常用方法是增加功能接口卡，但扩展接口卡仍存在以下几个问题： 接口卡在插拔过程中必须停机，并且需打开机箱进行安装和拆卸，这个过 程需要一定层次的技术支持； 接口插卡设备驱动程序的安装、调试直至正常运行的过程需要各种技术的 支持，特别是接口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， 即插即用算法虽然解决大部分的资源配置问题，但不能保证全部解决，因此，其 安装和配置过程仍需要人工干预，而扩展插卡较多时，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，严重时还可能导致系统的崩溃； 接口插卡的质量、兼容性和标准化的程度以及驱动软件的可靠性将直接影 响计算机的寿命和系统的稳定性、可靠性； 对象笔记本电脑之类的小体积p c 很难用接口插卡进行功能扩展； 当接口卡不是全数字化时，p c 插槽中的各种接口卡受n p c 内部很强的电磁 8 江苏大学工程硕士学位论文 辐射干扰使性能受到很大影响。 ( 2 ) 接口体积庞大。它们几乎占用了p c 机主板面积的一半，而硬件商不能无限 制的增加主板的面积来扩充这些老式的接口。这些大型的接口不利于p c 机外设的 小型化。 ( 3 ) 接口规格不一。当用户需要把一些外设连接到p c 机时，他们不得不面对种 类繁多的i j o 扩展槽和外部端口，这使用户觉得很不方便。 ( 4 ) 接口采用传统的i 0 模式。外设被映射为c p u 的i 0 地址空间，并被分配一个 指定的i r q ( 中断请求) ，或是一个d m a 通道。这种模式会带来诸如i o 地址冲突、 所指定的i r q 已被别的外设占有等诸多问题。这时用户需要手工的方法来设置一些 开关和跳线以重新配置这些设备，有时还必须打开机箱，而且配置完毕后，用户 必须重新启动计算机才能使新的配置生效。这一过程相当繁琐。 那么，当把外设连接到p c 上对其进行功能扩展时，能不能简单到用户只需拿 起外设的接线，把插线插入接口中就行了呢? u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口技术 的发展，为人们找到了解决上述困扰的途径。 u s b 的基础是a c c e s s b u s ，这是i 由p h i l i p s 与数字设备公司( d i g i t a le q u i p m e n t c o r p o r a t i o n ) 借鉴i i cs y n c h r o n i c eb u s 的优点，联合制定的规范，其思路是让计算机 的低速外围设备，如键盘、鼠标等，以简单的线缆插入式的连接方法来进行低速 ( 1 0 0 b i t s ) 的工作。它与主机的连接只通过4 条线缆，即电源线、地线、一条数据 线( d a t aw i r e ) 和一条脉冲线( c l o c kw i r e ) 。同时，它使用了开放收集器 ( o p e n - c e l l e c t o r ) 驱动，这就形成了u s b 的发展雏形。 1 9 9 6 年1 月，在c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 等4 家公司的联合努力下，u s b l 0 的白皮书问世，这是u s b 发展史上具有里程碑的一页。经过两年的完善和修改工 作，一个完整的、可行的u s b l 1 规范于1 9 9 8 年9 月完成。许多开发商依据u s b l 1 规范内容进行了相关产品的开发。为了追求速度上的优势，制定u s b 标准的7 家公 司( c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 、h e w l l e t t p a c k a r d 、l u c e n t 、p h i l i p s ) 又转入 到高速u s b 版本的开发，于1 9 9 9 年1 0 月5 日推出t u s b 2 o ( d r a f t o 7 9 ) ，其中增加了高 速协议部分，1 9 9 9 年1 2 月2 1 日推出t u s b 2 o ( d r a f t o 9 ) ，2 0 0 0 年4 月2 7 日，高速模式的 u s b 2 0 推出，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 s 。 u s b 设备的迅速增加，设备与设备之间的直接数据传输变得越来越迫切，u s b 9 江苏大学工程硕士学位论文 o t g ( o n t h e g o ) 技术应运而生【3 0 3 2 1 ，它于2 0 0 1 年1 2 月底制定，赋予了设备双重身 份，也就是说它既可以作为主机，又可以作为设备，其实质是在设备中增加了一 个嵌入式计算机来执行主机任务。u s b 2 0o t g 的标准，可以使u s b 标准突破原先 u s b 必需主机控制端的限制，从而可以把两台u s b 设备任意互连。并且由于u s b 2 0 o t g 标准和现行的u s b 2 0 u s b l 1 标准互通，将来的一般信息家电产品所采用的芯 片只要支持u s b 2 0o t g 标准，便可与同样支持u s b 2 0o t g 标准的便携式设备通 过电缆互连，在理论上达到每秒4 8 0 m b 的传输效能( 由于可能会有内部损耗) 。 u s b 技术的提出是基于采用通用连接技术实现外设的简单快速连接，达到方便 用户，降低成本，扩展p c 连接外设范围的目的，使p c 的功能扩展变得非常简便， 并且能最大程度地降低用户对计算机技术的需求，使所有的外设均成为所谓的“傻 瓜”式设备。u s b 技术具有开放性，是非赢利性的规范，得到了广泛的工业支持。 它在数字图象、电话语音合成、交互式多媒体、消费电子产品等领域得到了广泛 的应用。现在u s b 技术己经成为了p c 应用的主流技术之一，所有新生产的p c 都有 u s b 接口，支持u s b 的传输协议。 1 2 2u s b 的特点 u s b 接口技术的优势，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 带电拔插即插即用。用户只需将配有u s b 接口的设备插入到计算机机箱的 相应接口即可，其余的事情完全由其和主机完成。u s b 接口具有通用性，使得许 多计算机设备制造商都在其产品中加入对u s b 接口的支持。由于不同的外设可以 使用同一个u s b 接口，因此操作系统不需为每种设备都配置不同的中断和i o d ， 从而最大限度的节省了计算机系统资源。u s b 接口只用4 根线缆完成了繁重数据的 传输，同时接口中携带了电源线的地线，可直接从主机的接口或集线器上得到电 源的供给。用户可以在任何时候断开u s b 夕 - 设，而不管计算机是否正在运行，这 都不会损坏p c 机和外设。 ( 2 ) 数据传输的高速性。支持1 5 1 2 m b p s ，该速率与一个标准的并行端1 5 1 相比， 也快出近1 0 倍，足以满足工业现场提出的高速传输应用的要求。在对u s b l 1 版本 长期实践和改进的基础上，推出了u s b 2 0 ，它在数据传输速率上已经达到了 4 8 0 m b s 。 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 高自由度连接拓扑结构。对端口加以扩展，最多可在一台计算机上同时支 持1 2 7 种设备，而不会受到p c 上插槽的个数的限制。这与传统的扩展插卡相比，不 占用p c 的硬件资源( 如i o 地址、内存、中断、d m a 等) 。主机和u s b 设备之间是树 形拓扑结构。这使得外设的扩展有了更大的自由度。 ( 4 ) 内置电源供给。u s b 电源能向低压设备提供5 v ，5 0 0 m a ( 最大) 电源。因此， 对工业现场中使用的小功率接入设备则无须使用单独电源供电，这样可以降低这 些设备的成本并提高性价比。 ( 5 ) 支持多种传输模式。u s b 提供了四种传输模式：控制信息传输、中断数据传 输、批量数据传输、同步传输，以适应不同的传输目的，具有极强的通用性。 ( 6 ) 性能的稳定性。为了使u s b 接口在工作时具有最大可能的稳定性，u s b 协议 从多方面考虑了保障措施。一是接口的初始化。在第一次将u s b 设备连入主机时， 协议规定了要经过设备与主机的两次初始化链接，才能完成接口的接入过程。二 是与主机进行通信的保障。这种保障来自于以下两方面： 数据传输协议的保障。在数据传输的过程中，要使用严格的错误检测机制， 一旦发现错误，要能够做到通知发送者，并进行重传。 硬件设计的保障。在u s b 的发送器、接收器、线缆等硬件规范中，都有关于 检测错误及减少干扰的规定。 正是由于上述的突出特点，u s b 设备在p c # - 设的拓展方面有广泛的应用背景。 1 2 3u s b 产品开发 1 2 3 1 设计思想及方案 在设计一个u s b 设备之前，要对设计目标作出明确的分析，力求使设计方案 实现起来比较简单，使最后的产品具有低廉的价格，并能提供良好的操作性能。 之后就可以考虑实际的设计细节了。 在设计一个u s b 设备时，除了要明确设计产品的u s b 类型，还要考虑以下一 些因素： ( 1 ) 需要同步通信方式还是批量通信方式； ( 2 ) 是否需要每隔几m s 就利用中断方式进行查询； ( 3 ) 设备应使用总线供电方式，还是自供电方式； 江苏大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 是否允许为了电源控制而挂起该设备； ( 5 ) 能否以用低速率u s b 来支持该设备； ( 6 ) 该设备是否符合某一u s b 设备类型的特征，并使用w i n d o w s 操作系统提供 的类驱动程序； ( 7 ) 为了满足这些要求应该选用哪些u s b 微控制器。 1 2 3 2 开发环境 ( 1 ) 硬件环境 支持u s b 功能的p c 机。如果开发的是u s b 2 0 功能设备，则p c 机需要具 有u s b 2 0 高速端口。 全速高速u s b 电缆。为保证数据传输的可靠性，即使开发的是低速u s b 功能设备，也最好使用具有外层屏蔽和数据线双绞的全速高速u s b 电缆，但要注 意其长度不要超过低速电缆的最大长度限制。 辅助硬件调试工具。在进行硬件开发时，可能需要使用示波器、逻辑分析 仪等调试工具。对某些设备，还需要使用u s b 协议分析仪，它能查看u s b 传输的 每一个细节，但其价格昂贵。 ( 2 ) 软件环境 操作系统。对于u s b 2 0 功能设备，最好使用w i n d o w s 2 0 0 0 和w i n d o w s x p ； 创建u s b 芯片固件所需的工具软件。对于芯片固件的编写，有的u s b 芯片 提供专用的汇编器或编译器；而有的采用通用编程环境，如：k e i lc 语言； 创建u s b 设备驱动程序所需的工具软件。u s b 设备驱动程序负责和指定的 u s b 功能设备进行通信，它是操作系统的内核软件，在开发时通常使用微软公司 提供的d d k ( d r i v e rd e v e l o p m e n tk i t ，驱动开发工具包) 和v i s u a lc + + ； 创建界面应用程序所需的工具软件。界面应用程序负责和u s b 设备驱动程 序进行接口，以操纵u s b 设备，并向用户提供可视化的操作。它是操作系统的用 户级软件，在开发时可以使用c + + b u i l d e r 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等通用编程工 具； 辅助软件调试工具。在进行软件开发，调试时可能需要使用各种监视程序、 u s b c h e c k 等软件分析工具。 1 2 3 3 芯片选择应考虑的几个因素 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 对于任何涉及嵌入控制器的工程来说，芯片选择取决于芯片要执行的功能、 费用和开发的简单性3 3 。3 6 1 。 最简单最快速的u s b 项目是采用具有下面特性的芯片： ( 1 ) 熟悉的芯片结构和编程语言； ( 2 ) 详细的、组织好的硬件文档； ( 3 ) 具有良好的范例固件代码； ( 4 ) 容易下载的调试固件的开发系统； ( 5 ) 有能力使用w i n d o w s 自带的驱动程序或供应商编写得很好、只需要做最少 的修改就可以使用的驱动程序来进行通信。 1 2 3 4 设计调试 在完成上面的步骤之后，接下来就可以开始设计u s b 功能设备了。总体来说， 其包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计是根据u s b 设备的功能，设计u s b 芯片的外围电路和其它电路。软件设计包括编写芯片固件、u s b 设备驱动程序、 界面应用程序三部分。在设计时，这三部分程序同时交叉进行，不分先后。 对于芯片固件的编写，大多数情况下是使用汇编语言编程，具有代码精简、 执行效率高的优点，缺点是程序不易理解，开发难度大。正因为这样，有的芯片 提供了高级语言( 如c 语言) 编程。但现有高级语言编辑器的效率还比不上汇编 语言，其程序冗余度也较大。因此，在实际开发过程中，常常使用高级语言和汇 编语言混合编程的方法，即在运算量大、要求执行速度的地方使用汇编语言；而 在运算量小、不要求执行速度的地方使用高级语言。采用这种方法，既可缩短软 件开发周期，又能满足系统的实时性要求。 u s b 功能设备的硬件和软件设计完成后，就需要对其进行测试和调试。这时 可能需要使用各种软硬件调试工具、u s b 芯片的开发工具包等。通常这个过程需 要反复进行，直至系统的所有软硬件模块都能正常工作。 1 3 国内外研究和应用现状 。 随着微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为高速数据 采集系统的应用开拓了广阔的前景，也对高速数据采集技术的发展产生了深刻的 影响。高速数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统 江 苏大学工程硕士学位论文 的性能； ( 2 ) 高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采 集系统的广泛应用； ( 3 ) 与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大