（计算机应用技术专业论文）一个大学物理实验管理系统的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 以计算机为核心的现代教育技术的迅速发展，现代教育手段的充分利用，教学 仪器的逐步智能化，将改进教学方法，提高教学效益和教学质量，并使实验室管理提 高到一个新的水平。系统设计的目标是在基于智能实验平台上开发一个大学物理实 验管理系统。系统由通用实验模块、数据采集模块、计算机及网络构成。它能够提 供大量的设计性、综合性和研究创新性实验项目，激发学生学习兴趣，提高学生动 手能力，增强学生综合素质。它还能将教师从重复性劳动中解放出来，使实验室管理 更加制度化、科学化和现代化。 在设计中，研究了基于智能实验台的实验系统的构成、作用和特点，研究了智 能实验仪器的硬件设计方案，采用通过比较串口、并口、火线、u s b 和p c i 数据采 集卡等接口的实验仪器系统，综述了u s b 2 0 总线体系，仔细研究e z u s bf x 2 芯片 结构特点和功能，采用了m a x l l 5a d 转换芯片加e z u s bf x 2 芯片的多路采集功 能的智能实验仪器的硬件设计方案。e z u s bf x 2 芯片开发u s b 2 o 智能实验仪器固 件程序和驱动程序的实践证明，e z u s bf x 2 芯片是开发u s b 20 智能实验仪器设备 的理想选择，它的高速内核和量子f i f o 的独特设计保证了能满足u s b 2 o 协议 4 8 0 m b p s 的传输速度的要求，同时c y p r e s s 公司提供了功能强大的开发包，为用户提 供了理想的设备开发方案，加快用户的开发进度，降低了开发成本。 通过对基于智能实验平台的新型的实验管理系统的设计，开发了一套用于大学 物理实验教学的实验管理系统。 关键词：智能实验，数据采集，u s b 2 0 ，e z u s bf x 2 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i h em o d e me d u c a t l o nt e c 址l o l o g yw 1 协t h ec o m p u t e ra i l d i n t e l l l g e n c e o n e n t e d t e a c h i n ge q u i p m e n t sa r ed e v e l o p i n gs or a p i d l y l a t af u l lu s eo fm o d e mm e 肌so f e d u c a t i o nw i l lm a r k e d l yi m p r o v et e a c h i n gm e 也o d s ，t e a c h i n ge f f e c t i v e n e s sa i l dt h eq u a l i t y o ft e a c h i n g i ta l s oi m p r o v e sl a b o r a t o r ym a n a g e m e n t t h ed e s i g na i m si st od e v e l o pa c o l l e g ep h y s i c se x p e r i m e n tm a n a g e m e ms y s t e mb a s e do ni n t e l l i g e me x p e r i m e n tp l a t f o n n 1 h es y s t e mc o m p r i s e sg e n e r a ll a b o r a t o r ym o d u l e s ，d a t ac 0 1 l e c t su pm o d u l e s ，c o m p u t e r a n dr l e t w o r k s i tc a i lp m v i d ea1 0 to ft e c l l l l i c a l ，i n t e g r a t e da n di n n o v a t i v er e s e a r c hp i l o t p r o j e c tt os t i m u l a t es t u d e m s i m e r e s ti nl e a m i n g i ta l s oi m p m v e ss t u d e n t s a b i l i t yt ow o r k a n de d h a l l c et 1 1 e i ro v e r a l lq u a l i t ync a i l 疔e et e a c h e r sf r o mr 印e t i t i v e 1 a b o r ，m a l ( i n g l a b o r a c o r ym a n a g e m e n tm o r es y s t e m a t i c ，s c i e n t i f i ca n dm o d e m i z e d t h i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e sm ec o m p o s i t i o n ，p r i n c i p l e sa 1 1 dc h a r a c t e r i s t i c so f t h ee x p e r i m e n tm a n a g e m e n ts y s t c ma n de x p l o r e sm eh a r d w a r ed e s i g no fi n t e l l i g e m e x p e r i m e m a la p p a r a t u s ne x a m i n e sf r o mac o m p a r a t i v ep e r s p e c t i v et h ei n t e l l i g e m e q u i p m e n t 印p a r a t u sb yf o c u s i n gu p o n 恤es e r i a li n t e r f a c e ，t h ep a r a l l e li n t e r f a c e ，f i r e ，u s b a n dp c i ，p r o v i d e sa no v e i e wo fu s b2 ob u ss y s t e m ，s t u d i e se z u s bf x 2c h i p s t n l c t u r a lc h a m c t e r i s t i c sa n dn m c t i o n s b yd i s c u s s i n gt h em a x ll5a dc h i pd e s i g n 州t l l e z u s bf x 2c h j pm u l t i 如n c t i o n a ls m a r tw a yo fc 0 1 1 e c t i n g e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s h a r d w a r ed e s i g n ，i tg i v e sad e t a i l e da c c o u n to fe z u s bf x 2c h i pu s b2 oe x p e 血n e m a l 印p a r a t u sf i n n w a r ed e v e l o p m e mp m c e s sa n dt h ed e t a i l e dd r i v i n gp r o c e d u r e s e z - u s b f x 2 c h i pu s b 2 oi sa ni d e a lc h o i c et od e v e l o pe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa i l dt h eu n i q u e d e s i g no fi t sh i 曲- s p e e dc o r ea n dq u a l l t u mf i f om e e t st h er e q u i r e m e n t so fat r a n s m i s s i o n s p e e do f4 8 0m b p su s b2 0a g r e e m e m s a n dc y p r e s sc o r p o r a t i o np r o v i d e sp o w e r f u l d e v e l o p m e n tp a c k a g ea n dt 1 1 ei d e a le q u i p m e m - d e v e l o p i n gp r o j e c t sb yw h i c hu s e r sc a n a c c e l e r a t et h ep m g r e s s i o no fd e v e l o p m e n ta 1 1 dr e d u c ed e v e l o p m e n tc o s t s t h i st h e s i sc o n c l u d e sw i t has u g g e s t i v ed e s i g no fe x p e r i m e n t a lm a i l a g e m e n ts y s t e m a n di t si m p l e m e n t a t i o np r o j e c tb a s e do ni n t e l l i g e me x p e “m e m a la p p a r a t u sa n dd e v e l o p sa s e to f e x p e r i m e n t a lm a n a g e m e n ts y s t 唧u s e df o rc o l l e g ep h y s i c s e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g k e yw o r d s ：t h ei m e l l e c t u a l i z e de x p e r i m e n t ，d a t ac 0 1 l e c t su p ，u s b 2 0 ，e z u s bf x 2 l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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：参lc 脚秀 l r 期：加咕年华月掰同 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，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电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密d 。不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：剀菇咕芳 日期：加红掣月乃只 华中科技大学硕士学位论文 1 1 系统的背景 1绪言 当前我国正面临大学从精英教育向大众教育的改革，这对教育事业的发展带来了机 遇，同时也面临着新的挑战。学校扩大招生必然会引起从设备到师资的各种教学资源的 紧张，在这样的形势和环境中如何进一步提高教学水平和教学质量是摆在我们面前亟待 解决的问题。教育资源的缺乏是长期困扰教学质量提高的难题，也是教学改革发展的瓶 颈。随着时代的发展，科技进步对教育提出越来越高的要求，对人才的创新思维和实践 能力的培养是一种趋向个性化的教学，需要比普通公共教学占用更多的教学资源，这些 矛盾只能通过发展教育技术、创新教育手段来解决。 近几年来，很多高校从面向2 1 世纪科技发展和人才科学素质需求的角度来考虑， 对大学物理实验和电工电子实验等其他基础实验教学的课程体系、教学内容进行了全面 改革。建立了能适合当代科技发展、有利于培养具有深厚基础知识的创造性人才的教学 新体系；选择了与当代教育思想和高科技成果相融合的教学内容；同时发展教育技术改 革了传统教学方法和手段的单一模式，以满足不同层次的学生独立进行学习和研究的需 求【l ，。本系统是在此背景下，拟建立湖南理工学院大学物理实验管理系统。采用c a i 、 i n t e m e t 网等现代教学手段，改善教学条件，营造多元化的教学环境，激发学生学习的 主动性，最终达到提高实验教学水平的目标。 1 _ 2 系统的目的 传统的实验教学仪器绝大部分是基于验证性的，这让学生实验时过分依赖于老师的 讲解和详尽的实验讲义。只要学生认真、谨慎的操作必然获得预期的实验数据，从而达 到对理论知识的验证，但这样培养出来的学生缺乏主动思考能力，创造思维和实验创新 能力很差。随着实验教学改革的不断深入，建设便于学生进行设计开发的开放性实验室 的要求日渐迫切，因此如何解决实验仪器的智能性、交互性、可靠性和减少实验室管理 工作量问题就显得十分重要，也是建设开放性实验室的关键问题【”。 华中科技大学顽士学位论文 仿真实验不能取代真实实验，而传统的实验教学模式又不能满足现代实验教学的需 求，所以智能型实验仪器及其数据管理系统迅速发展起来了【2 j 。现在，以计算机为核心 的现代教育技术发展迅速，现代教育技术手段的充分利用，教学仪器的逐步走向智能化， 将明显改进教学方法、提高教学效益和教学质量，使实验室管理提高到一个新的水平。 基于智能实验平台的实验系统由通用实验模块、数据采集模块、计算机软硬件及网络构 成。它能够提供大量的设计性、综合性和研究仓4 新性实验项目，激发学生学习兴趣，提 高学生动手能力，增强学生综合素质。基于智能实验平台的实验系统还能将教师从重复 性劳动中解放出来，使实验室管理更加制度化、科学化和现代化。 1 3 基于智熊实验平台的实验系统规划 基于智能实验平台的实验系统硬件部分规划为由通用实验模块、数据采集模块、微 机接口模块、计算机软硬件和网络组成。其系统结构如图1 1 所示，图1 - 2 为其网络结 构图。 圜日圈日圈日圈 图1 1 智能实验平台的实验系统硬件结构框图 学z 机 二 二 实验台 校园网专三堡l 医赢 同络中心路由器 实验室交换机 = 二一 兰 实验台l 教师机 二丁= 打印机 管理机 二 二 打印机 服 务 器 图1 ，2 智能实验平台的实验系统网络结构图 其中，服务器：存放整个实验室及实验相关信息的数据库。管理机：为实验室主任 全面进行实验管理和相应信息查询功能的客户机。教师机：实现实验教师进行学生签到 管理、实验( 含实时监控) 管理、实验档案管理、实验成绩和实验设备管理等的客户机。 2 华中科技大学硕士学位论文 学生机：完成学生实验信息管理、实验操作及实验数据采集，同时可做实验预习、实验 仿真与资料查询的客户机。智能实验台：与通常实验仪器不同，智能型实验台配备了数 据采集模块，通过相应的接口可与计算机通讯。智能型实验台的关键是数据采集模块和 软件。数据采集模块采集学生机测试仪器测得的数据，经处理后在学生计算机上显示， 同时供生成实验报告用，此数据也提供教师机以供教师检测学生实验用。智能型实验台 具有交互式数据传输功能，真正能够实现计算机实时的数据采集、图像处理、网络监视 管理和网上信息交换等功能。学生实验数据和其他数据通过嘲络保存在服务器中的 m i c r o s o rs o l 网络数据库中。 1 4 智能型实验台主要功能 智能型实验台具有交互式数据传输功能，真正能够实现计算机实时地数据采集、图 像处理、网络监视管理和网上信息交换等功能，而非简单的单片机数据采集系统。系统 采用m ss q l 数据库和网络数据库技术，来提高系统对信息的有效管理。 ( 1 ) 教师机( 上位机) 功能 在实验教学时，教师机为服务器角色，与学生计算机之间成为一个网络数据管理系 统。教师和学生之f 刚可实现网上交流，充分发挥计算机的数据采集、信息交换、图像处 理功能。当教师服务器或网络出现故障时仍可保证学生实验的正常进行，且不丢失实验 数据和图像。教师机具有以下功能：能实现对学生实验过程的动态监控，自动完成对 多路学生机的数据的采集工作；有完善教学计划管理功能；实验项目可供学生自主选择； 教师机具备完善的刷卡识别学生身份及分配机位功能，签到管理功能，具有完善学生档 案管理功能，可防止其它学生替考或外来人员进入；教师机具有实验时间的管理功能， 具有将学生实验之后的数据按统一的数据格式向实验中心或校园网传送的功能；具有实 验器材管理、仪表报警管理等功能，可以非常方便的对现有实验室进行维护；系统的扩 展功能使之可以修改和扩展实验报表的设计，更改实验内容等。 ( 2 ) 学生机( 下位机) 功能 数据采集和数据保存功能：对多路数据实时采集，并将实验时间、实验数据、实验 曲线、学生档案信息保存到网络服务器上。数据保护性功能：测得的实验数据不能人为 华中科技大学硕士学位论文 进行修改。自动绘制曲线功能：在实验设备出厂时，由技术人员经过调试绘制误差内的 标准曲线存入机器，学生测得的数据，机器可根据实验表格数据进行曲线绘制，对一些 需要边采集数据边绘制曲线的实验进行计算机自动采集数据、自动绘制曲线，并对所绘 制的曲线进行保存。实验帮助功能：学生实验时，可以用f l 或点击帮助查询每一个实验 的帮助信息，并可进行网上求助。实验项目的选择功能：学生可以在任何时间选择做任 何实验，在网上进行实验预约，网上实验数据、实验成绩查询。测量仪器为示波器、数 字表等既可作为真实仪器测量，也可作为虚拟仪器来使用，可将测量波形在计算机上显 示、存储、调整控制和输出打印。 基于智能平台的实验系统可与互联网连接或与学校实验中心服务器连接，可以实现 实验数据的b s 管理方式【5 1 。学生通过访问学校的实验室管理网站，可以实现网上实验 预约和实验成绩查询。教师通过访问学校的实验管理网站，可对实验数据进行管理。 1 5 本实验系统对学生能力培养和实验教学管理的作用 面向2 1 世纪的新一代教学仪器必须是先进的教育思想、完善的教育功能和先进的 科学技术的完美结合。信息技术和现代教育技术的发展，为新一代教学仪器提供了更广 阔的发展前景。越来越多的教学仪器朝着智能化发展【3 】。智能化教学仪器的发展，给实 验教学和实验室管理带来以下根本性变化。 ( 1 ) 智能化教学仪器体现了阻学生为主体的现代教育思想 现代教育观是提倡以学习为主导，以学生为中心，培养学生的主动性，观察思考能 力，自我教育、自我更新能力，教师的一切教学活动应以围绕这样的目的进行。智能化 教学仪器利用网络和数据库技术，学生可以根据自己的实际情况，由教学计划管理功能， 选择实验项目，自主学习，发挥其独立性和主动性，达到以学生为主体的实验教学方式。 通过课件和帮助功能的引入，使实验过程变得直观、易学和引人入胜，由于界面的友好， 使学生能在轻松的心情下了解仪器，设定参数，完成实验。 ( 2 ) 将教师从重复性劳动中解放出来 智能化教学仪器的实验过程的动态监控、实验自动评分功能和实验成绩统计功能帮 助教师摆脱应接不暇的重复性劳动，使教师能在有限的时间内和学生讨论进一步深入的 4 华中科技大学硕士学位论文 问题。 ( 3 ) 使实验室管理更科学有序 智能化教学仪器的权限设定、刷卡识别学生身份及分配机位功能、实验器材管理、 仪表报警管理功能使实验室管理工作量大大减少，同时使管理质量提高。 ( 4 ) 是实验室逐步走向全面开放的重要条件 实验室开放一个难以解决的问题是实验室管理问题，现有的实验室管理模式、管理 人员配备很难适应实验室的全面开放，智能化教学仪器的弓l 入使得很多要大量人力处理 的工作由计算机网络解决了，故能一定程度上解决这个矛盾 1 】。现有教学仪器在产品结 构、功能上，离教学改革的要求相距甚远，通过调整，应提高其性能和智能化、标准化水 平，能适应各种实验内容和实验方法，在仪器性能、结构、可靠性、应用新技术、采用 新材料、新器件以及工艺外观等方面也要不断进行改进，在新产品的研制开发方面尤其 是电子信息技术应用方面要迈出更快的步伐，以便为教师和学生提供一个更加广阔的进 行科学探索的空间和条件。智能化实验台己走出了可喜的一步，必将成为实验教学仪器 发展的新趋势，引领实验教学仪器发展的新潮流。 1 6 本文所做工作 本文结合湖南理工学院大学物理实验室的实际情况，设计与开发出了一套比较实际 可行的基于智能实验平台的实验管理系统。在实验教学中，部分实验项目为本系统设计 的智能实验项目，运行情况良好。本文主要做了以下工作： ( 1 ) 系统研究了基于智能实验平台的实验管理系统的构成、功能、作用和优点。 并根据湖南理工学院大学物理实验室中相应实验项目进行了具体的研究和设计。 ( 2 ) 研究了智能实验仪器的硬件设计方案。比较了串口、并口、火线、u s b 和p c i 数据采集卡等接口的智能化实验仪器系统，综述了u s b 2 0 总线体系，仔细研究e z u s b f x 2 芯片结构特点和功能，设计了采用m a x l l 5a d 转换芯片加e z u s bf x 2 芯片的多 路采集功能的智能实验仪器的硬件方案，并简单介绍了双路采集智能实验仪器的设计方 案。 ( 3 ) 详细介绍了采用e z - u s bf x 2 芯片开发u s b 2 ，o 智能实验仪器固件程序和驱动 华中科技大学硕士学位论丈 程序的过程。从开发的过程可以看出e z u s bf x 2 芯片是开发u s b 2 o 智能实验仪器设 备的理想选择，它的高速内核和量子f i f o 的独特设计保证了能满足u s b 2 o 协议 4 8 0 m b p s 的传输速度的要求，同时c y p r e s s 公司提供了功能强大的开发包，为用户提供 了理想的设备开发方案，加快用户的开发进度，降低了开发成本。 ( 4 ) 通过对基于智能实验平台的新型的实验管理系统的设计，开发了一套用于大 学物理实验教学的实验管理系统。此系统后台采用美国微软公司m s s q l2 0 0 0 大型关 系数据库，前台主要采用美国微软公司v i s u a l b a s i c6 o 和a s p 技术来实现的。此系 统具有上述智能系统的大部分功能，并在湖南理工学院大学物理实验室运行了一段时 间，情况良好。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 智能型实验仪器的硬件设计 智能型实验仪器的硬件部分是由通用实验模块、数据采集模块、微机接口模块、计 算机和网络组成。与传统实验仪器相比，智能型实验台配备了数据采集模块，通过多种 通讯接口，可与计算机通讯。智能型实验台的关键是数据采集模块和软件。数据采集模 块采集学生机测试仪器测得的数据，经处理后在学生计算机上显示，同时供学生生成实 验报告使用，此数据也提供教师机以供教师检测学生实验用。智能型实验台应具有交互 式数据传输功能，真正能够实现计算机实时地数据采集、图像处理、网络监视管理和网 上信息交换等功能。学生实验数据和其他数据通过网络保存在s q ls e r v e r 数据库中。本 章主要研究智能型实验仪器的硬件系统设计，重点放在数据采集模块和微机接口模块 上，主要研究与设计采用u s b 总线接口型智能实验仪器。 2 1实验仪器与计算机之间的通信方式设计 智能型实验仪器与计算机通讯的方式主要有：火线( f i r e w i r e ) 、u s b 、p c i 、串口和 并口等方式 7 j 】。传统的普通的外置式采样系统一般通过串口或并口的方式与p c 连接。 但是串口和并口的传输速度显然成为采样系统与p c 接口的速度瓶颈。随着现在实验仪 器水平的提高，实验精度也不断提高，因此，串口和并口通讯方式已经不适用于本智能 型实验仪器。对于实现外置式中高速、高精度采样系统而言，提高p c 与外置式采样系 统数据通道的传输速度是必要的。采用火线虽然使得数据接收端的设计不是特别复杂， 但是由于火线是一条多主的总线，每发送一帧数据都要打一个包头，由于链路层协议的 复杂，包头的结构也相当的冗长，对于数据发送端链路层的大量寄存器配置，调试麻烦 而且复杂程度太高，因此在智能型实验仪器中采用火线接口方式成本过高。 以往的数据采集系统中，通常将数据采集电路做成板卡的形式，占用p c 的一个p c i 总线扩展槽，这种内置式形式不便于野外作业。如果能够将整个系统做成外置式形式， 不仅能够提高系统的采样精度和稳定性，还能增强系统的灵活性，同时还有利于系统的 维护。u s b 是近年来应用在p c 领域的新型接口技术，是一些p c 大厂商，如m i c r o s o f c 、 7 华中科技大学硕士学位论文 i n t e l 等为了解决日益增加的p c 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种 串行通信的标准，自1 9 9 5 年在c o m d e x 上亮相以来，已广泛地为各p c 厂家所支持【1 1 ，1 4 】。 现在生产的p c 几乎都配备了u s b 接口，m i c r o s o f t 的w i n d 0 w s9 8 2 0 0 0 x p 以及 m a c o s 、l i n u x 、f r e e b s d 等主流操作系统都增加了对u s b 的支持1 6 l “。u s b 具有较高 的传输速度( u s b 协议1 1 支持的最高传输速度为1 2 m b p s ，u s b 协议2 o 支持的最高传 输速度为4 8 0 m b p s ) ，支持即插即用和热插拔，还有主机供电( 最大5 0 0 m a ) 的性能【1 3 1 5 1 。 本文设计的智能实验仪器是基于u s b 2 o 总线的，其硬件系统组成包括模拟开关、 d 转换器、单片机、u s b 接口芯片，其硬件总体结构如图2 1 所示。多路模拟信号经 过模拟开关传到d 转换器转换为数字信号后由单片机控制采集，u s b 接口芯片存储 采集到的数据并将其上传至p c ，同时也接收p c 机u s b 控制器的控制信息。 2 2 u s b 体系结构 模拟开头 a ，d 转换器 l 帮片机 l u s b 接口芯片 i p c 机u s b 控制器 图2 1 系统硬件总体结构 u s b 提供了在一台p c 机与若干台u s b 设备( 智能实验仪器) 之间通信功能，可 以简单用图2 2 表示。 磊 华中科技大学硕士学位论文 图2 2u s b 设备的简单模型 由图2 t 2 可见，一个u s b 系统由三部分组成：u s b 互连、u s b 设备和u s b 主机。 但在实际u s b 系统下，u s b 不是简单的端到端通信，具体的系统要比这复杂，不同层 次的实现者对u s b 有不同要求，这使得我们必须从不同的层次了解u s b 系统。 客户软件 l u b b 系统软件 逻辑的信息流 图2 3 通信模型层次图 应用层 l u s b 设备 l u s b 总线接口 实际的信息流 如图2 - 3 所示，台主机与个u s b 设备间的连接是由多个层次上的连接组成。 u s b 总线接口层提供了在主机和设备之间的物理连接、发送连接、数据包连接。u s b 设备层对u s b 系统软件是可见的，系统软件基于它所见的设备层来完成对u s b 设备的 一般操作。应用层可以通过与之相配合的客户软件向主机提供一些额外功能。u s b 设备 层和应用层的通信是逻辑上的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信由u s b 总线接口 层来完成。 2 2 1u s b 主机层次模型 在任何u s b 系统中，只有一个主机。主机在u s b 体系中占据主导地位，所有在总 线上的事件都由主机发起。设备和主机系统的接口称作主机控制器，主机控制器可由硬 件、固件和软件综合实现怕舯1 。根集线器是由主机系统整合的，用以提供更多的连接点， 从主机的角度来描述上述通信模型，图2 4 描述了从主机角度看到的它与设备的连接。 9 华中科技失学顽士学位论文 客户( 管理界面) 配置信息 黑驱p 划 主机控制器驱动 u s b 系统软件 硬件定义 通道组( 到某一接口) 标准通道( 到缺省端口地址) ：= ：= = = = = = = = = ：，一 囤磐团i 凸 u s b 总线接口 通道代表相应层之问连接的抽象 图2 4 土机层次模型 在u s b 系统中，主机部分可以划分为： u s b 总线接口 u s b 系统软件( 管理通道) u s b 客户( 管理界面) 其中，u s b 总线接口处理电气及协议层的互连。u s b 设备和u s b 主机都提供类似 的u s b 总线接口，如串行接口引擎( s e r i a j i n t e f f 她ee n g i n e ，s i e ) 。出于主机在u s b 系统 中的特殊性，u s b 主机上的总线接口还必须具备主机控制器的功能( h o s t c o m r o l l e r ) ，由 主机控制器内集成的一个集线器( 根集线器) 提供与u s b 电缆的连接盼1 8 】。 2 2 2u s b 系统软件 1 主机控制器驱动程序( h o s tc o n 仃o l l e rd r i v e n 主机控制器驱动程序( h c d ) 管理主机与u s b 设备的数据传输，客户可以不必知道设 备到底接在哪个主机控制器驱动上就能同设备进行通信【1 8 。在h c d 与u s b 驱动程序 ( u s bd r i v e r ，u s b d ) 之间的接口称为主机控制器驱动接口( h o s t c o n t r o l l e r d t i v 。r i n t e r f 如e ， 1 0 华中科技大学硕士学位论文 h c d i ) 。这层接口不能被客户直接访问，所以u s b 规范没有定义【z l j 。一个典型的h c d i 是由支撑各种不同主机控制器的操作系统来定义的。 2 u s b 驱动程序 通用串行总线驱动程序( u s b d ) 提供i o 请求包( i ，or e q u e s tp a c k e t s ) 形式的数据传 输，以某一特定通道来传输数据2 ”。另外，u s b d 为它的客户提供个容易被支配及 配置的抽象的设备。作为这种抽象的一部份，u s b d 拥有缺省通道对设备进行一些标准 的控制。这些标准通道实现了u s b d 与抽象设备之间的逻辑通信。u s b d 有一类特殊客 户：集线器驱动器。集线器驱动器拥有这些缺省通道，接收这些设备连接状态的改变 阻2 4 1 。如果设备连接状态改变，集线器驱动器将加载设备的驱动程序。 3 主机软件( h o s ts o n w a r e ) 客户层描述的是直接与u s b 设备进行交互所需要的软件包。当所有的设备都已连 接系统时，这些客户就可阱同设备进行通信了，也就是说一个客户不能直接访问设备的 硬件。 总之，主机功能主要体现在以下几个方面： 检测u s b 设备的安装和拆卸 管理在主机和u s b 设备之间的控制流 管理在主机和u s b 设备之间的数据流 收集状态和动作信息并提供能量给连接的u s b 设备 2 2 3u s b 设备 u s b 设备分为渚如集线器和功能设备等种类。集线器类指的是一种提供u s b 连接 点的设备。u s b 设备需要提供自检和属性设置的信息，u s b 设备必须在任何时刻执行 与所定义的u s b 设备的状态相一致的动作。u s b 设备提供的功能是多种多样的，但面 向主机的接口却是一致的2 6 1 。所以，对于所有这些设备，主机用同样的方式来管理它们 与u s b 有关的部分。 当设备被连接、编号后，该设备就拥有一个唯一的u s b 地址。设备就是通过该u s b 地址被操作的2 ”。每个u s b 设备通过一个或多个通道与主机通讯，所有u s b 设备必 须在零号端点上有一指定的通道，就是该设备所谓的缺省控制通道。通过此控制通道， 华中科技大学硕士学位论文 所有的u s b 设备都列入一个共同的准入机制，以获得控制操作的信息。在零号端口上， 控制通道中的信息应完整描述u s b 设备，此类信息主要有以下几类： 标准信息：这类信息定义所有u s b 设备的共同性，包括。些如r 一商识别、设备 种类、电源管理等的项目。设备设置、接口及终端的描述在此给出。 类别信息：此类信息给出不同u s b 设备类的定义，主要反映其不同点。 u s b 厂商信息：u s b 设备的厂商可自由的提供各种有关信息。 2 3e z u s bf x 2 ( c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 芯片 本文设计的智能实验仪器是基于c y p r e s s 公司的e z u s b f x 2 系列芯片进行设计的。 c v 口r e s s 公司的e z u s bf x 2 系列芯片是最早符合u s b 2 o 协议的微控制器之一，它集成 了符合u s b 2 o 协议的收发器( t r a l l s c e i v e r ) ，串行接口引擎( s i e ) ，增强型的8 0 5 l 内核 以及可编程的外围接口。f x 2 系列芯片独特的结构使得数据传输速度最高可达5 6 m b p s ， 最大限度地满足了u s b 2 0 的带宽【2 ”。 e z u s bf x 2 的微处理器是一个增强型的8 0 5 1 内核，性能可达标准8 0 5 1 的5 l o 倍，并与标准8 0 5 l 的指令完全兼容。增强型的8 0 5 1 内核使用r a m 作程序指令和数据 存储器，从而使得e z u s bf x 2 具有“软”特性，也就是说，可以通过自行编写程序指 令来实现所需的功能。e z u s bf x 2 使用增强型s i e u s b 接口( 称为u s b 核) ，通过执 行u s b 核本身的协议来简化8 0 5 1 代码编写的工作。这样采用硬件完成u s b 核，简化 了固件代码的编制。对于固件代码的使用，主机通过软件下载的方法实现。这种方法充 分利用f x 2 内部的8 k br a m 来装载8 0 5 l 代码和数据。由于e z u s bf x 2 具有重新枚 举的能力，所以在初始化枚举时，用户并不需要断开设备就可以装载新的描述符。设备 描述符和8 0 5 1 程序代码都能通过主机中的磁盘文件下载，只有制造商号、产品号和设 备号从启动时从一个1 6 字节的e e p r o m 下载到硬件中的【2 8 】。通过这种方式，l 。j _ 以比较 容易地从主机升级软件和修改u s b 总线设备的固件代码。 e z 。u s bf x 2 的通用可编程接口g p i f 以及m a s t e r s l a v e 端点f i f o 所对应的8 1 6 位数据总线，可以很容易地实现f x 2 与当前一些主流通过接口( 如a 1 隗、u t o p i a 、e p p 、 p c m c i a 和大部分d s p 处理器) 互连。如图2 5c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片( 1 2 8 引脚) 简化结构。 它共有7 个端点，端点o ，端点1 和i n 和o u t ，还有端点2 、4 、6 和8 。其中，前3 个端点的大小是固定的6 4 字节，后4 个端点默认大小是2 级5 1 2 字节的f i f o ，端点2 1 2 华中科技大学硕士学位论丈 和端点4 默认是o u t 端点，端点6 和端点8 默认是i n 端点，而端点2 和6 分别可以定 义为2 级、3 级或4 级的存储器，每级的大小也可以是5 1 2 字节或1 0 2 4 字节。从e z u s b f x 2 方向来看，个端点相当于通过总线收发数据的缓冲区，e z u s bf x 2 从o u t 缓 冲区中读取端点数据，将通过u s b 传送的端点数据写入i n 缓冲区。它求全责备速( 1 2 m b p s ) 和高速( 4 8 0m b p s ) 传输速率，并具有u s b 协议所规定的4 种传输方式，即控 制方式( c o n t m lm o d e ) 、中断传输方式( i n t e r r u p tm o d e ) 、批量传输方式( b u l km o d e ) 和等时传输方式( i s o c h r o n o u sm o d e ) 。 l 兰 【一 u s b 连接器 u s b 收发器 串行接lo u t 口引擎l 数据 ( s l e )1 _ 叫 j数据 e z u s bf x 2 u s b 接口 s l a v e f i f o 程序代码 和数据 r a m 增强型 8 0 5 1 通用可编 程接口 ( g p i f ) 片外存储器 图2 5 c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片( 1 2 8 引脚) 简化结构 e z u s bf x 2 系列是基于r a m 的“软”结构，在开发过程中允许无限制设置和升 级：它支持全速u s b 总线吞吐量的传输，使用e z u s bf x 2 进行设计，可以不受端点 数、缓冲区大小和传输速度的限制；此外，其内核中做了大量的辅助指令，简化了编码， 同时也加快了对u s b 特性的了解。基于以上e z u s bf x 2 系列芯片的特性，在设计的 过程中，采用了e z u s b f x 2 系列中的c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片( 1 2 8 引脚) ，其简化结构如图 2 5 所示。 2 4 多路数据采集智能实验仪器硬件设计 结合智能实验仪器中数据采集的实际需要，设计出高速同步数据采集系统。该系统 最多可四路同步采样，单通道采样速度可达6 2 0 k s p s ，四通道同时采样速度可达18 0 k s p s 。 华中科技大学硕士学住论文 u s b 接口控制芯片采用c y p r e s s 公司f x 2 系列中的c y 7 c 6 8 0 1 3 ，通过对其可编程接口 控制逻辑的合理设计和芯片内部f i f o 的有效运用，实现数据的高速连续采样和传输。 控钳信号 控相 信号、 c p ui l 主 妙 机 叫吣b 卜 m g p l f ：= a d f x 2 图2 6多路数据采集系统框架 2 4 1 基本原理 该采集系统总体框架分三部分：主机( 能支持u s b 2 o 协议的p c 机) 、内部包含 c p u 及高速缓存的u s b 接口控制芯片( c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 和高速同步采样芯片( m a x l1 5 ) ， 如图2 6 所示。其数据传输分两部分：控制信号传输和采集数据传输。控制信号方向为 由主机到外设，由外设c p u 控制，数据量较小；采集到的数据由外设到主机，数据量 较大。为了保证采样控制信号，f x 2 根据该信号向d 转换器送出相应控制信号，即采 样模式控制字；之后出a d 转换器自主控制转换，并将各通道采样数据存入其片内缓存。 一旦转换完成，由d 的完成位向f x 2 的可编程控制接口发读采样结果信号；然后由 可编程接口的控制逻辑依次将各通道采样结果从a d 的缓存读入f x 2 的内部f i f o 。当 f i f 0 容量达到指定程度后，自动将数据打包传送给u s b 总线。期间所有操作不需要c p u 的干预。采样过程中接口控制逻辑依次取走批量数据，在打包传送时a d 仍持续转换， 内部f i f o 也持续写入转换结果。只要内部f i f 0 写指针和读指针位置相差达到指定的 值就立即取走数据【2 ”。从而保证了同步连续高速采集的可靠性。 m a x l l 5 ( 刖d ) 是美信公司的高速多通道同步采样芯片。含有两组4 路同步通道，共 8 个输入端。采样精度为1 2 位，采样模式由采样控制字决定，可灵活地在两组中的1 4 个通道间选择。采样时，各通道转换结果先存入其内部相对应的4 个1 2 b i t 存储单元， 各通道都转换完后再一起取走。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 4 2 硬件设计 考虑c y 7 c 6 8 0 1 3 与m a x “5 接口时，采样模式不同，控制波形有所差别，采用选 择主机方式即可编程控制接口( g p i f ) 。g p i f 是f x 2 端点f i f o 的内部控制器。在这 种方式下，接口内核可产生6 个控制输出端( c t l 0 c t l 5 ) 和9 根线的地址( g a d r 8 ：o 】) 输出，同时可以接收6 个外部输入( r d y o i m y 5 ) 和2 个内部输入。f x 2 有4 个波形描 述符控制各个状态。这些波形描述符可以动态地配置给任何一个端点f i f o 。例如，一 个波形描述符可以配置为写f i f o ，而另一个配置为读f i f o 。 f x 2 的固件程序可以把这些描述符配置给四个f i f 0 中的任意一个，配置后，g p i f 将依据波形描述符产生相应的控制逻辑和握手信号给外界接口，满足向f i f o 读写数据 的需要。g p i f 的数据总线既可以是单字节宽( 8 位f d 7 ：0 ) 也可以是双字节宽( 1 6 位 f d 【1 5 ：o 】) 。每个波形描述符包含了s o s 6 七个有效状态和一个空闲状态。在每个有 效状态对应的时间段里，经过预先设置，g p i f 可以做以下几件事情：( 1 ) 驱动( 使为 高或低) 或悬浮6 个输出控制端：( 2 ) 采样或驱动f i f o 的数据总线； 3 ) 增加g p i f 地址总线的值； ( 4 ) 增加指向当前f i f o 指针的值：( 5 ) 启动g p f i w f ( 波形描述符1 中断。除此之外，在每个状态，g p i f 可以对以下几个信号中任意两个进行采样，它们 是： ( 1 ) r d y x 输入端；( 2 ) f i f o