基于FPGA的USB接口数据采集系统研究-word版本

Slave FIFO,固 件 程 序摘 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 ， USB 技 术 的 出现 很 好 的 解 决 了 上 述 问 题 s USB 总 线 具 有 支 持 即 插 即 用 、 易 于 扩 展 、 传 输 速 率高 (USB2.0 协 议 下 为 480Mbps)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 USB2.0 的 数 据 采 集 系 统 ， 论 文 首 先 详 细 介 绍 了 USB 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 12 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 200KHzUSB 接 口 芯 片 采 用 Cypress 公 司 的 CY7C68013,论 文 详 细 介 绍 了 其 在Slave FIFO 接 口 模 式 下 的 电 路 设 计 和 程 序 设 计 系 统 应 用 FPGA 芯 片 作 系 统 的 核心 控 制 ， 控 制 系 统 的 数 据 采 集 和 与 USB 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 FPGA 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 FPGA 芯 片 中 的 逻 辑 、时 序 控 制 程 序 、 8051 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 Visual Studio 6-C C+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 USB2.0 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 ： USB2. 0,数 据 采 集 ,The research for Data Acquisition System based on USB 2.0 and FPGAAbstractDuring the science and technologies development in today7 s world, to make the measurement more precise in the research and production, there are higher and higher demands for the performance of measurement systems. Traditional measurement systems and devices have the fault of low transmission rate and are not easy for installation. And from current view, these systems and devices cannot fulfill the higher demands in the industrial world, USB technology can solve the problems above. USB bus has been widely used for the features of: wplug-in and playw , easy for extensions and high transmission rate (480Mbps in the protocol of USB 2.0).This paper describes a Data Acquisition System (DAQ) based on USB 2.0. After the introduction of the USB protocol, this paper describes the system architecture, hardware, software and system performance, from which, the design and solution is given. The system has dual analog channels with 2 channels 12-bits AD converters; the highest sample rate is 200 KHz. The interface chip is CY7C68013 of Cypress. As well, this paper introduces the circuit design and program design for the mode of Slave FIFO of this chip. The system takes a FPGA chip as core logic control module- FPGA controls the sample process and communications with the USB chipset, FPGA also generates the control signals and timing sequence signals. This design will improve the system stability, and makes the device smaller. This paper also gives an overview of software part in the system, includes logical design in FPGA, timing control, firmware of 8051，driver and the client application at PC. At client PC side, Microsoft Visual Studio C+ 6- 0 is chosen as the platform for development-To verify the reliability and accuracy of DAQ system, experiments were executed against the standard signals and bakelite thermal conductivity. At last of this paper, the experiment result is given and analyzed.Keywords: USB2.0, Data Acquisition, Slave FIFO, Firmware7第 一 章 绪 论1. 1 课 题 背 景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 己 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 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 PC 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 ISA、 PCI 总 线 的 A/D 卡 ， 基 于 串 口 、 并 口 的 采 集 卡 ， 以 及 基 于 422、485 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 ISA、 PCI 总 线 的 采 集 装 置 几 乎 不 可 能 得 到 应 用 ， 而 基 于 串 口 、 并口 及 422、 485 等 总 线 的 板 卡 其 速 度 大 大 限 制 了 其 应 用 范 围 目 前 数 据 采 集 卡 主 要 存 在 以 下 问 题 ：今 接 口 卡 的 配 置 必 须 停 机 ， 并 需 打 开 PC 机 箱 进 行 安 装 和 拆 卸 ；今 接 口 插 卡 作 为 一 种 硬 件 设 备 插 入 PC 后 ， 总 要 占 用 PC 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 ；今 接 口 插 卡 的 兼 容 性 和 标 准 性 的 程 度 直 接 影 响 计 算 机 的 寿 命 和 系 统 的 稳 定 性 ； 今 接 口 卡 不 适 合 移 动 应 用 ；今 PC 插 槽 中 的 各 种 接 口 卡 易 受 PC 内 部 的 高 频 干 扰 ,使 其 性 能 受 到 很 大 的 影 响 ； 令 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. 1. 2 研 究 的 可 行 性在 电 子 技 术 飞 速 发 展 的 今 天 ， PPGA (现 场 可 编 程 门 阵 列 ） 和 CPLD (复 杂 可编 程 逻 辑 器 件 ） 应 用 己 十 分 广 泛 ， 它 们 随 着 EDA 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 髙效 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 【 1。1994 年 ， Compaq, Intel、 Microsoft、 NEC 等 七 家 世 界 著 名 的 计 算 机 和 通 讯 公司 ， 于 1995 年 11 月 正 式 制 定 了 USB0. 9 通 用 串 行 总 线 （Universal Serial Bus) 规 范 USB1.1 是 目 前 推 出 的 在 支 持 USB 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 I.5MbPs 和 全 速 12MbPs 两 种 。1999 年 初 在 Intel 的 开 发 者 论 坛 大 会 上 ， 介 绍 了 USB2. 0 规 范 USB2. 0 向 下 兼 容USB1.1,数 据 的 传 输 率 将 达 到 480Mbps,已 超 过 了 目 前 IEEE1394 接 口 400Mbps 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 。USB 技 术 具 备 很 多 优 点 。今 USB 支 持 热 插 拔 和 即 插 即 用 ；今 占 用 的 系 统 资 源 少 （ 只 占 用 一 个 IRPh 无 总 线 竞 争 s 令 速 度 快 ： USB1.1 支 持1.5Mbp 和 12Mbps 两 种 传 输 速 率 ， 而 USB2.0 可 达 480 Mbps,比 串 口 快 了 整 整 4000倍 ， 比 并 口 也 快 了 400 多 倍 ；今 USB 端 口 支 持 多 个 不 同 设 备 的 串 联 ， 一 个 USB 口 理 论 上 可 连 接 127 个 USB 设 备 ；今 USB 事 务 处 理 包 括 错 误 检 测 机 制 ， 用 以 确 保 数 据 无 错 误 的 发 送 ；今 设 备 能 够 直 接 由 USB 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 FPGA 芯 片 作 为 系 统 主 控 制 器 ， 而 采 用 USB(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 FPGA 芯 片 和 USB 总 线 的 数 据 采 集 系 统 具 有 较 髙 的 理 论 价 值 和 广 泛 的应 用8前 景 1. 1. 3 数 据 采 集 系 统 方 面 的 发 展 动 态9目 前 数 据 采 集 卡 大 致 分 为 3 大 类 ， 即 ： 基 于 ISA 总 线 、 基 于 PCI 总 线 和 基 于 485 等 串 行 总 线 的 远 端 模 块 。 随 着 PC 机 的 发 展 ， ISA 总 线 逐 渐 被 淘 汰 ： 基 于 PCI 的 采 集 卡 ， 价 格 一 直 据 高 不 下 ； 而 各 种 远 端 模 块 由 于 使 用 PC 机 的 串 口 ， 速 率 受 到 极 大 限 制 。 随 着 USB 总 线 在 各 种 电 子 产 品 中 的 普 及 ， USB 端 口 成 为 计 算 机 的标 准 设 备 ， USB 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 USB1.1 协 议 ， 支 持 的 传 输 速 率 有 低 速 1.5Mb/s 和 全 速 12Mb/s 两 种 ， 主 要 应 用 在 中 低 速 的 测 控 系 统 中 2000 年 发 布 的 11SB2. 0 协 议 将 传 输 速 率 提 高 到 480Mb/s, 且拥 有 更 高 的 带 宽 ， 为 开 发 高 速 的 USB 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 USB 总 线 技 术 ， 包 括 总 线 特 征 、 电 气 特 性 、 数 据 传 输 类型 等 。 基 于 USB2.0 技 术 ， 我 们 提 出 了 USB 接 口 的 数 据 采 集 系 统 的 实 际 应 用 方案 ， 设 计 并 制 作 了 基 于 FPGA 和 USB 接 口 的 数 据 采 集 和 传 输 的 硬 件 系 统 ， 编 写了 USB2.0 接 口 芯 片 CY7C68013 的 固 件 程 序 ； 基 于 FPGA 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 USB 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 。乌 设 备(=3勒 趟 K In(d(ft) azeOlDS/DSM USS UfterWHost Coolt/ _ 24(； HJCSS2.0RHublisa Root Hub USB Root Hub U5&5K 宋 炫 a网 章 E黑 系 铳 设 # s 窆 显 示 4. 4 客 户 端 应 用 程 序 设计4. 4. 1 客 户 端 应 用 程 序概 述客 户 端 应 用 程 序 是 处 于 整 个 系 统 的 最 上 层 ， 其 作 用 是 提 供 人 机 界 面 、 展 现系 统 运 行 状 态 并 且 为 设 备 的 监 控 提 供 接 口 .对 上 述 的 要 求 进 行 分 析 ， 客 户 端 应用 程 序 必 须 具 备 下 列 的 功 能 和 特 性 ：在 客 户 端 应 用 程 序 的 设 计 中 ， 采 用 了 双 层 结 构 。 其 结 构 如 下 图 所 示 ,丨仆 1 JITI./.、：.二.|图 4-2 设 备 管 理 器 中显 示能 够 直 观 地 展 现 采 集 的 数 据 ； 能 够 方 便 地 对 数 据 采 集 设 备 进 行 控 制 ；今 能 够 随 时 监 控 设 备 状 态 ：今 需 要 能 够 提 供 对 后 继 开 发 的 支 持 （ 重 用 组件 ）:今 能 够 方 便 地 记 录 采 集 的 数 据 和 状 态 ；今 能 够 方 便 地 对 采 集 的 数 据 进 行 相 关 分 析 ；今 对 设 备 响 应 及 时 ；令 对 设 备 提 供 数 据 缓 冲 服 务 ；令 使 用 和 操 作 方 便 ，4.2 客 户 端 应 用 程 序 的 构 成软 件 系 统 的 分 层 结 构 几 乎 己 经 成 为 软 件 设 计 的 基 本 要 求 。 软 件 的 分 层 结 构 的 能 够 提 供 松 耦 合 的 特 性 。 所 谓 松 耦 合 ,其 优 势 在 于 能 够 提 供 更 大 的 灵 活 性 、 易 维 护 性 和 易 于 开 发 和 测 试 。在 PC 端 的 软 件 系 统 分 为 3 层 ： 驱 动 程 序 、 通 讯 层 和 展 现 层 。 驱 动 程 序 请 参 考 4.2 和 4.3.客 户 端 应 用 程 序 由 两 层 构 成 ：今 通 讯 层 ： 主 要 负 责 与 驱 动 程 序 的 通 讯 ， 并 将 驱 动 程 序 所 提 供 的 数 据 转 换 为 展 现 层 所 能 识 别 的 数 据 格 式 ； 展 现 层 ： 主 要 负 责 与 最 终 用 户 的 交 互 。 将 用 户 的 意 图 传 递 给 通 讯 层 从 而 控 制 设 备 ， 并 将 结 果 呈 现 给 客 户 ，客 户 端 开 发 平 台 选 择 了 微 软 的 Visual Studio 6.0 C+平 台 ， 虽 然 这 样 的 选 型 增加 了 复 杂 程 度 但 是 考 虑 到 软 件 执 行 效 率 及 重 用 性 ， 这 样 的 选 择 还 是 值 得 的 另外 必 须 提 及 的 是 ， 在 展 现 层 中 使 用 了 National Instrument 公 司 的 Measurement Studio for Visual C+的 一 些 控 件 用 来 展 现 波 形 及 旋 钮 的 外 观 ， 通 讯 层 使 用 Windows API (Application Programming Interface,应 用 程 序 编 程 接 口 ） 的 CreateFile函 数 打 开 设 备 并 使 用 另 一 个 通 用 API DeviceloControl 与 设 备 进 行 通 讯 。 考虑 到 硬 件 变 化 的 可 能 性 ， 使 用 了 INI 文 件 存 储 了 设 备 的 基 本 信 息 这 样 即 使 设备 有 些 变 化 ， 客 户 端 应 用 程 序 也 能 够 有 一 定 的 适 应 能 力 如 上 所 述 ， 通 讯 层 除 了为 展 现 层 提 供 了 设 备 描 述 符 、 管 道 信 息 等 基 本 信 息 接 口 ， 还 对 设 备 传 递 的 数 据进 行 了 处 理 ，在 编 译 通 讯 层 代 码 之 后 会 得 到 一 个 DLL (动 态 链 接 库 ） ， 展 现 层 调 用 DLL 即图 4-3 客户端应用程序结构43可 和 设 备 进 行 通 讯 ， 这 样 处 理 的 好 处 是 ： 如 果 有 特 殊 的 应 用 需 要 展 现 不 同 的内 容 ， 例 如 对 木 材 的 湿 度 进 行 采 样 ， 那 么 只 需 要 重 新 编 写 展 现 层 并 调 用 此DLL 即 可 ， 由 此 可 认 为 通 讯 层 和 驱 动 程 序 及 数 据 采 集 硬 件 构 成 了 一 个 基 本 的包 装 ； 此 包 装 即 为 可 进 行 数 据 采 集 二 次 开 发 的 平 台 。在 界 面 设 计 中 考 虑 到 用 户 的 易 于 接 受 程 度 ， 因 此 将 界 面 设 计 成 为 了 类 似于 传 统 示 波 器 的 样 子 ， 其 界 面 如 4 4 所 示 图 。展 现 层 中 提 供 给 用 户 的 功 能 包 括 ：今 打 开 和 关 闭 采 集 设 备 、 设 置 采 样 频 率 ；令 通 道 选 择 、 波 形 展 现 、 电 压 测 量 、 频 率 测 量 等 传 统 示 波 器 的 功 能 ; 图 形 界 面 导 出 和 数 据 导 出 ； 数 据 分 析 （ FFT等 ，4. 4. 3 信 号 测 试 与 分 析4. 4. 3. 1 标 准 信 号 测 试信 号 发 生 器 产 生 频 率 为 200kHz,峰 一 峰 值 为 3V 的 方 波 信 号 将 该 信 号 接 入 本 系 统 ， 得 到 的 测 试 结 果 如 图 4 一 5 所 示 ， 其 中 的 误 差 主 要 来 自 AD 转 换 结果 的 低 位 微 小 变 动 图 4-4 采集系统操作界面444. 4. 3. 2 电 木 导 热 系 数 测 定导 热 系 数 是 材 料 的 一 个 重 要 参 数 ,材 料 结 构 （ 如 木 材 的 级 向 、 弦 向 与 径 向 等 ）、 成 分 、 含 水 率 的 多 少 对 导 热 系 数 都 有 明 显 的 影 响 本 研 究 应 用 我 们 研 制 的 数 据采 集 系 统 测 量 电 木 的 导 热 系 数 。 材 料 的 导 热 系 数 通 常 是 自 身 温 度 的 函 数 ， 常 采用 实 验 方 法 确 定 测 量 材 料 导 热 系 数 的 方 法 有 稳 态 法 和 非 稳 态 法 ， 稳 态 法 主 要 有平 板 法 ， 非 稳 态 法 有 瞬 态 热 丝 法 、 热 线 法 和 热 探 针 法 等 【 39】 ，稳 态 法 测 量 不 良 导 体 的 导 热 系 数 的 原 理 来 自 傅 立 叶 导 热 方 程 .该 方 程 指 出 ， 在 物 体 内 部 ， 垂 直 于 导 热 方 向 上 t 两 个 相 距 为 h,面 积 为 S,温 度 分 别 为 Tl、 T2 平 行平 面 ， 在 A/时 间 内 ， 从 一 个 平 面 传 到 另 一 个 平 面 的 热 量 满 足 下 述 表 达 式 ：M2 3 c 3 - r2 , k i、 = yl-S； (41)bl h式 中 ： X 定 义 为 该 物 质 的 导 热 系 数 ， 亦 称 为 导 热 率 （ 它 在 SI 中 的 单 位 为 K).由 此 可 知 ， 导 热 系 数 是 一 个 表 征 物 质 热 传 导 性 能 的 物 理 量 ， 其 数 值 等 于 两 相 距单 位 长 度 的 平 行 平 面 上 ， 当 温 度 相 差 一 个 单 位 时 ， 在 单 位 时 间 内 ， 垂 直 通 过 单位 面 积 的 热 量 电 木 导 热 系 数 测 试 装 置 见 图 4 一 6*实 验 过 程 如 下 ： 1、 安 置 好 实 验 装 置 （ 见附 图 1、 2)； 2、 将 两 热 电 偶 （ 铜 一 康 铜 ） 一 端 插 入 加 热 底 盘 和 散 热 盘 内 的 小 孔 ,另 一 端 插 入 保 温 杯 的 冰 水 中 ， 再 将 待 测 量 信 号 经 信 号 调 理 模 块 放 大 后 接 入 测 试 系统 ； 3、 接 通 电 源 ， 对 测 试 样 品 （ 电 木 ） 加 热 开 始 时 ， ？ ； 、 温 度 上 升 较 快 ，图 4 一 5 方 波 信 号 衡 试 结 果AfAT0.0022 (mV/s).当 7； 、 72 温 度 达 到 稳 定 时 ， 加 热 盘 传 入 样 品 上 平 面 的 热 流 速 率 等 于 散 热 盘 向 周围环 境 的 放 热 速 率 ， 因 此 通 过 散 热 盘 在 稳 态 温 度 r2 的 散 热 速 率 f 求 出 热 流 量Ag/A/。4、 移 去 电 木 样 品 ， 使 加 热 底 盘 直 接 加 热 散 热 盘 ， L 温 度 快 速 上 升 ； 5、 然 后 移 去 加 热 盘 ， 停 止 加 热 ， 并 将 样 品 覆 盖 在 散 热 盘 上 ， 得 到 散 热 盘 的 T-t 曲 线 ， 再 在T-t 图 上 求 出 散 热 盘 在 稳 态 温 度 T2时 的 冷 却 速 率 . TT设 散 热 盘 的 质 量 为 比 热 为 C， 则 在 r=rw 时 散 热 盘 的 散 热 速 率 为 ：.所 以 在 稳 态 传 热 时 ，M A/T-T(4-2)TT fdt测 试 结 果 如 图 4_7 所 示 .测 得 的 信 号 是 典 型 的 导 热 系 数 测 试 曲 线 .由 于 该 测 试中 ， 样 品 （ 电 木 ） 的 传 热 达 到 稳 态 需 要 较 长 时 间 （ 约 23 小 时 ） ， 而 散 热 铜 盘 自 然 散 热 的 过 程 相 对 较 快 （ 约 4 5 分 钟 ） 。 为 能 显 示 完 整 的 导 热 系 数 测 试 曲 线 ，将 图 中 横 轴 一 时 间 坐 标 分 为 两 段 ： 一 段 为 从 0 150 分 钟 ， 该 段 温 度 变 化 缓 慢 ， 用 较 大 的 时 间 分 度 作 图 也 能 很 好 的 表 现 测 试 结 果 ： 另 一 段 从 150 155 分 钟 f该 段 测 试 温 度 变 化 较 大 ， 采 用 小 的 时 间 分 度 ， 才 能 较 好 得 显 示 测 试 结 果 。 出 于同 样 的 考 虑 ， 在 纵 轴 一 电 压 （ mV)坐 标 也 作 了 相 应 的 调 整 ， 测 试 曲 线 是 从 样 品被 加 热 到 80C 时 开 始 记 录 的 .图 4 一 7 中 曲 线 表 现 的 是 散 热 铜 盘 的 温 度 Tu 从 0 150 分 钟 段 为 温 度 上 升 段 ; 在 150 分 钟 左 右 达 到 稳 态 ； 从 150 151 分 钟 ， 经 过 1 分 钟 的 加 热 盘 对 散 热 盘 的 直 接 加 热 过 程 ， T2 的 温 度 迅 速 上 升 至 A 点 ； 最 后 经 过 3、 4 分 钟 完 成 散 热 铜 盘 自 然 散 热 过 程 ， 得 到 T-t 冷 却 曲 线 。图 中 B 点 即 为 散 热 铜 盘 的 T-t 冷 却 曲 线 中 T = 7点 ， 由图 可 求 出 散 热 盘 在 7 AT时 的 冷 却 速 率 Af最 后 ， 将 其 他 已 知 条 件 代 入 公 式 4 一 2,可 得 电 木 的 导 热 系 数 ： X=0,237(W/m K).该 结 果 与 电 木 导 热 系 数 经 验 值 X, = 0.230(ff/mK)很 接 近 ， 验 证 了 本 系 统 应 用 于木 材 导 热 系 数 测 试 中 的 准 确 性 *46结 束 语本 论 文 在 深 入 研 究 了 USB2.D 规 范 和 协 议 的 基 础 上 ， 采 用 Cypress 公 司 的 EZ-USB FX2 系 列 芯 片 CY7C68013 设 计 一 个 基 于 USB2. 0 和 FPGA 的 通 用 数 据釆 集 系 统 ，利 用 CY7C68013 的 端 点 配 置 灵 活 、 可 自 动 读 写 等 特 点 ， 采 用 Slave FIFO接 口 模 式 ， 由 外 部 主 控 制 器 FPGA 控 制 与 其 的 数 据 传 输 。 同 时 依 据 ADS7817的 时 序 特 点 ， 采 用 FPGA 控 制 数 据 的 采 集 与 处 理 ， 结 合 了 Cypress 公 司 的 USB设 备 的 开 发 包 CY3681 和 DDK 开 发 工 具 编 写 了 CY7C68013 的 固 件 程 序 和 数 据采 集 系 统 的 USB 功 能 驱 动 程 序 。 最 后 编 写 了 系 统 的 客 户 端 程 序 ，将 系 统 应 用 于 电 木 导 热 系 数 的 测 试 ， 得 到 了 正 确 、 直 观 的 数 据 信 息 ， 验证 了 本 系 统 的 实 用 性 。 基 本 达 到 设 计 提 出 的 预 期 目 标 。经 过 一 年 多 的 努 力 ， 在 通 过 对 USB2.0 协 议 的 研 究 ， 硬 件 电 路 的 设 计 与 调试 以 及 系 统 软 件 的 编 写 ， 自 己 也 学 到 了 很 多 东 西 。 虽 然 本 系 统 基 本 实 现 了 设计 的 预 期 目 标 ， 但 限 于 时 间 与 经 验 的 限 制 ， 仍 然 感 到 有 许 多 不 足 之 处 ： 提 高 采 样 率 ， 以 适 应 测 试 高 频 信 号 的 要 求 ；今 应 增 加 信 号 调 理 模 块 ， 形 成 一 个 更 为 完 整 的 采 集 系 统 ；令 在 客 户 应 用 程 序 中 加 入 更 多 的 信 号 处 理 功 能 ；图 4 一 7 电 木 导 热 系 数 温 度 测 试 结 果47参 考 文 献1 宋万杰，罗丰，吴顺君.CPLD 技术及其应用.西安：西安电子科技大学出版社.20012 王成僑，李英伟 USB2.0 原理与工程开发.北京：国防工业出版社. 20043 周立功等.USB2.0 与 0TG 规范及开发指南.北京 北京航空航天大学出版社.20044 许永和等. EZ-USB FX 系歹( 1 单片机 USB 丹围设备 设 计 与应用（第一版） 北京：北京 航空航天大学出版社. 20025 (集成电路特性代换手册编译组.A-D/D-A 转换器 1C 特性代換手册.福建：福 建科学技术出版社. 20006 Texas Instruments. 12-Bit Differential Input Micro Power Sampling ANALOfi-TO-DIGITAL CONVERTER, www. . 20057 陈逸等. USB 大全，中国电力出版社， 20018 Cypress Semiconductor Corporation. CY7C68013 EZ-USB FX2 USB Microcontroller, wmr. cypress, com, 20029 甘历. VHDL 应用与开发实践 .北京：科学出版社 ,200310 Linear Technology Corporation. LT1763 Series 500mA Loir Noise LDO Mocrapower Regulators, wnr. linear- com* 199911 廖济林. USB2.0 应用系统开发实例精讲. 北京：电子工业出版社.200612 周立功. PDIUSBD12 USB 固 件 编 程与驱动开发.北京：北京:航空航天大学出 版 社 . 200313曾 繁 泰 ， 陈 美 金 .VHDL 程 序 设 计 .北 京 ： 淸 华 大 学 出 版 社 .200114 王小军.乔长阁. VHDL 简明教程.北京：淸华大学出版社.199815 潘 松 ,王 国 栋 .VHDL 实 用 教 程 .成 都 ： 电 子 科 技 大 学 出 版 社 ,200116 廖裕评，陆瑞强 CPLD 数字电路设计 使用MAX+PlUSn.北京：淸华大学出販社. 200117 褚振勇，翁木云. FPGA 设计及应用.西安电子科技大学出版社.200318 武安河，邰铭，于洪涛.Windoirs2000/XP WDM 设备驱动程序开发.北京：电子工 业出版社.200419C ompaq Intel, Microsoft, et al. , Universal Serial Bus Specification Revision 2.0f ttt. usb. orgr 200020 Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB FX2 Technical Reference Manual (Version 2*1)，www.cypress.coin- 200321 falter Oney- Programming the Microsoft Windows Driver Model, America: Microsoft Press. 19994822 Chris Cant, Windows WDM 设备驱动程序开发指南（孙义，马莉波，国雪飞译 北京，机械工业出版社，2000 年23 Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB General Purpose Driver Specification, www.cypress, com, 199924；4925262725 29ur1u1JuTJTJuTJTJTJo123456789o33333333334rLrLrlrLrLrLrL-_:6366魏 品 良 .用 稳 态 平 板 法 测 定 不 良 导 体 导 热 系 数 的 实 验 研 究 .苏 州 丝 绸 工 学 院 学 报 .1998. (6): 5759马 伟 ， 邵 贝 贝 .0n-The-Go 开 辟 USB 应 用 的 新 篇 章 .电 子 产 品 世 界 .2002 (6): 68 3950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 f 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 ， 倣 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 s惑 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 t 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 t 谢 谢 你 们 .51附 图m附 图 i 木 材 导 热 系 数 测 试 现 场52附 图 2 USB2.0 接 口 数 据 釆 集 卡nq 行 巧 教 据III WANFANG DATA 文献链接基于 FPGA 的 USB 接口数据釆集系统研究作者： 刘砚一学位授予单位： 南京林业大学I 相 似 文 献 (10 条 )1. 期刊论文马鸣. MA Ming USB2.0 总线的数据采集设备的设计 -电脑知识与技术（学术交流）2007，3(13)介绍了基于 USB2.0 总线的数据采集设备的开发方法 .其中包括接口硬件设计、 firmware(固件) 设计、基于 WINDOWS 驱动程序模型(WDM)的设备驱动程序 设计以及应用软件的设计.2. 学位论文李宏凯 USB2.0 总线技术在数据采集系统中的应用 2006在科学研究和工业生产等场合中常需要用到数据采集和传输技术，但是传统的通信方式由于传输速度和安装麻烦等问题严重地限制着数据采集设备 的发展和应用。USB 技术很好的解决了上述的缺点，以其支持热插拔和即插即用，易于扩展，占用系统资源少等特点迅速得到了广泛的应用，而且 USB2.0 凭 借其 480Mbps 的理论传输速度，更是得到了人们的青睐。本文提出了一种用 USB2.0 总线技术解决数据采集系统接口问题的实施方案。基于课题的研究内容，本文首先深入分析了 USB 的体系结构，然后结合提 出的方案，详细地介绍了系统的硬件和软件设计。其中硬件部分具体介绍了 USB2.0 控制器 CY7C68013 的 GPIF 和模数转换器的接口设计，同时也给出了系统 各种电源转换的实现方法。在软件部分，详细阐述了 CY7C68013 在 GPIF 工作模式下的波形设计过程及其数据通信流程，并给出了调试结果；驱动程序是硬 件和客户应用程序间通信的桥梁，文中介绍了 USB 的 WDM 功能驱动程序设计过程；最后，设计了一个主要用于演示数据变化曲线和数据保存的应用程序 ，并对其功能做了解释。在数据采集系统中应用 USB2.0 总线技术不仅实现了数据的采集、传输、演示和保存数据的功能，并且使系统具有了热插拔、即插即用、便携式的特 点，达到了预期的效果。3. 学位论文杨俊波 基于 TMS320C6713 和 USB2.0 的多路实时信号采集系统的研究 2008随着现代科学技术的迅速发展和人们对数据采集技术要求的日益提高，近年来数据采集技术得到了长足的发展，主要表现为精度越来越高，传输的 速度越来越快。但是各种基于 ISA、PCI 等总线的数据采集系统存在着安装麻烦、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制、可扩展性差等缺陷，严重 的制约了它们的应用范围。USB 总线的出现很好的解决了上述问题，它是 1