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河北工程大学毕业设计 1 离心式水泵设计毕业设计离心式水泵设计毕业设计 目 录 摘摘 要要 I AbstractAbstract II 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 2 USB 简介 1 1 2 1 USB 优点 1 1 2 2 国内外应用现状及发展趋势 2 1 3 离心泵测试 3 1 4 虚拟仪器技术及相关知识 4 1 4 1 虚拟仪器简述 4 1 4 2 虚拟仪器的优势 5 1 4 3 虚拟仪器系统的构成 5 1 5 课题研究的主要内容 7 1 6 课题意义 7 第二章第二章 基于基于 USBUSB 数据采集系统整体设计数据采集系统整体设计 8 2 1 USB 数据采集系统的性能指标 8 2 2 USB 数据采集系统的硬件构成 8 2 3 USB 数据采集系统的软件设计 8 第三章第三章 数据采集系统硬件电路设计数据采集系统硬件电路设计 10 3 1 USB2 0 协议 10 3 1 1 USB 系统组成 10 3 1 2 USB 设备组成 10 3 1 3 USB2 0 数据帧 12 3 1 4 USB2 0 端点缓冲区 13 3 1 5 USB 插头插座 14 3 2 主要芯片介绍 14 3 2 1 为何选择 CY7C68013 14 河北工程大学毕业设计 2 3 2 2 CY7C68013 芯片简介 16 3 1 3 ADS7825P 简介 22 3 2 USB 采集系统原理电路设计 24 3 2 1 主芯片外围电路设计 24 3 2 2 A D 转换电路设计 25 3 2 3 传感信号处理电路设计 28 3 2 4 电源电路设计 30 3 2 5 EEPROM 电路设计 32 第四章第四章 USBUSB 数据采集系统软件设计数据采集系统软件设计 34 4 1 固件程序开发 34 4 1 1 固件功能及编程 34 4 1 2 列举和重列举 36 4 1 3 USB 描述符 38 4 2 驱动程序开发 40 4 2 1 使用 Driver Development Wizard 创建 INF 文档 40 4 2 2 安装 INF 文档和 USB 设备 43 4 2 3 使用 VISA Interactive Control 测试通讯情况 44 4 3 数据采集程序设计 46 4 4 上位机程序开发 47 第五章第五章 结论与展望结论与展望 49 参考文献参考文献 50 致致 谢谢 51 河北工程大学毕业设计 1 第一章 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 信息技术与电子技术的迅猛发展 使得计算机和外围设备也得到飞速发展和应用 在科学研究领域和许多生产场合中常用到数据采集技术 并且对数据采集的各种要求也 越来越高 传统的通信方式由于传输速度慢 抗干扰能力弱 安装麻烦等原因严重阻碍 了数据采集设备的发展 新一代通用串行总线 Universal Serial Bus 简称USB 具有传输 线少 速度快 支持热插拔以及易于扩展等优点 很好的解决了以上问题 因此串行总 线技术在计算机系统及通信设备中迅速得到了广泛的应用 文中分析了USB总线的体系 结构和特点 针对传统总线不足之处 在此基础上研究了基于USB的数据采集系统 根据 系统应该达到的技术指标 从而确定系统的整体框架和各个部分芯片的选择 而且USB接 口芯片价格低廉 大大促进USB设备的开发和应用 所以目前基于USB的数据采集卡已经 成为一种流行趋势 12 通常开发USB系统时 先用Windows DDK 设备驱动程序开发包 或第三方开发工具 如Driver Studio 开发USB驱动程序 然后用Visual C 编写DLL 动态连接库 最后再调 用DLL来开发应用程序 这对不熟悉Windows编程的人有一定的难度 而USB应用程序也大 都是使用Visual C 来编写的 过程繁琐 调试麻烦 花费的时间也比较长 美国国家仪器NI National Instrument 公司开发的Lab EW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbeneh 语言是一种基于图形程序的编程语言 含有丰富的数据 采集 数据信号分析以及控制等子程序 易于调试和维护 且程序编程简单 直观口 可以直接在Lab EW环境下通过NI VISA Virtual Instrument Software Architeeture 以下 简称为 VISA 开发驱动程序 完全避开了以前开发USB驱动程序的复杂性 大大缩短 了开发周期 用它来开发应用程序 把采集来的数据传送到主机上 再通过Lab EW的 模块实现数据的实时显示 分析和存储 1 2USB 简介 1 2 1USB 优点 USB universalSerialBus 是一种通用串行总线USB是1995年康柏 微软 mM DEC等公 司为解决传统总线不足而推广的一种新型的快速双向同步传输并可热插拔数据传输总线 该总线接口具有以下优点 4 河北工程大学毕业设计 2 l 低成本 为了把外设连接到计算机上 USB提供了一种低成本的解决方案 即所 有系统的智能机制都驻留在主机并嵌入芯片组中 方便了外设的制造 2 可以热插拔 这就让用户在使用外接设备时 不需要重复 关机将并口或串口电 缆接上再开机 这样的动作 而是直接在PC开机时 就可以将USB电缆插上使用 3 携带方便 USB设备大多以 小 轻 薄 见长 对用户来说 同样20G的硬盘 USB硬盘比roE硬盘要轻一半的重量 在想要随身携带大量数据时 当然USB设备会是首要 之选 4 标准统一 大家常见的是DE接口的硬盘 串口的鼠标键盘 并口的打印机扫描仪 可是有了USB之后 这些应用外设统统可以用同样的标准与PC连接 这时就有了USB硬盘 USB鼠标 USB打印机 5 单一连接器类型 USB定义了一种简单的连接器 仅适用一个四芯电缆即可链接 任何一个USB设备 6 独立供电 USB通过集线器向设备提供电源 当外设的电源要求电压5v电流小于 5OOmA时 可以直接从USB总线获取电源 这样USB无需专用电源线 从而降低成本 7 错误检测和恢复 USB事务处理包括错误检测机制 他们可以确保数据无错误发 送了 8 USB系统在设计保持了向上的继承性 1 2 2 国内外应用现状及发展趋势 USB设备的应用目前在国外处于高速发展阶段 国外有些企业也已经推出了很多适应 不同条件 不同精度的USB数据采集系列产品 典型的是美国国家仪器有限公司 National Instruments NI 公司研制的一系列USB数据采集卡 NI于2005年8月退出了 八款最新USB2 0高速数据采集设备 从而扩展了其业界领先的高性能USB数据采集设备 USB 9000系列产品 实现了高达800ks s的采样率 此后新推出的USB 高速设备包 含免费的交互式数据记录软件 以供分析之用 USB设备在国内的应用已经起步 并速度 快 水平不断提高 市场上国内产品有北京优采公司 系列 四川拓普公司的 DAQ UBOX UCARD等系列 国内在USB数据采集 USB工业控制等领域已经取得了一定的成果 在现实中的得到 成功的应用 USB2 0协议 数据传输速率高达480Mbps 如此高的传输速率能用于1 0的 传输速率所无法满足的地方 如高实时性要求的工业设备控制 动态图像实时传输等 随着时代的进步和技术的发展 USB必将在更广阔的领域得到更深层次的应用 国内有一 些厂商为USB设备研发提供软硬件支持 这很大程度上降低了开发难度 减少了开发时间 提高了开发质量和效率USB2 0接口凭借低成本 高性能 可靠稳定 方便灵活的特点 河北工程大学毕业设计 3 将逐步成为微型计算机的主要输入输出方式 总的来说 目前国内对 USB 数据采集设备的研制已经取得了可喜的发展 但是与国 外的情况相比 在开发和应用的深度和广度而言 还有一段距离现场数据采集要求比较 高的场合多是采用的国外产品 因此 随着计算机对 USB 接口的普及和实际应用中对数 据采集卡要求的提高 利用 USB2 0 协议规范开发出符合多种场合要求的数据采集系统 以及此领域内先进产品的国产化等都成了急待解决的现实问题 1 3 离心泵测试 离心泵由于具有结构简单 紧凑 重量轻 造价低 排量大以及供液均匀等优点 因而获得了广泛的应用 由于泵类产品在结构上和在运行过程中特有的复杂性 对泵的 性能测试是泵研制 开发以及生产中必不可少的重要环节 1 传统的测试系统存在硬件集 成复杂 界面不友好 开发周期长和对开发人员编程能力要求高等缺点 2 本文基于 LabVIEW虚拟仪器平台 运用USB 总线技术 开发的离心泵性能测试系统很好的解决了上 述缺点 系统硬件简单 可移动性强 操作方便 实用性强 具有十分重要的现实意义 水泵要测量的主要参数有流量 水泵转速 电机转速 电机功率 电机电流 水泵 轴功率 水泵流量的检测有多种方法与传感器 比如水堰法 差压式流量计 涡轮流量计 电磁流量计 超声波流量计 但相比较而言超声波流量计不破坏管路于管外安装 且简 单实用 安装方便 由于不和流体接触 对流体无阻力 因此在煤矿生产中应用日益广 泛 超声波流量计可以适用于不同大小管径的流量测量 解决了大管径流量的测量问题 转速的测量方法很多 根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有 M 法 测频法 T 法 测周期法 和 MPT 法 频率周期法 我们采用和测频法 根据霍尔效应原理 将一块 永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿 转盘随测轴旋转 磁钢也将跟着同步旋转 在 转盘下方安装一个霍尔器件 转盘随轴旋转时 受磁钢所产生的磁场的影响 霍尔器件 输出脉冲信号 其频率和转速成正比 电机转速的检测同水泵转速 功率通常是指机械的回转功率 即在稳定状态下原机轴端的扭矩与转速的乘积 测 量的方法主要有 用转矩速传感器与转矩转速功率仪配套测量 扭矩法测功率和电测法等 也可以用功率传感器直接测量 功率传感器也称功率计探头 它把高频电信号通过 能量转换为可以直接检测的电信号 河北工程大学毕业设计 4 水泵的轴功率是电动机传递给水泵轴的功率 水泵轴功率的测定实质上是通过测定拖 动电机的输入功率和功率损耗来确定拖动电机的输出功率 对于联轴器直连传动机组 电动机输出功率与传动效率之积为水泵轴功率 1 4 虚拟仪器技术及相关知识 虚拟技术 计算机通信技术与网络技术是信息技术的重要组成部分 它们被称为21 世纪科学技术中的三大核心技术 虚拟技术的出现大大改变了人类现有的思维模式工作 模式和生活模式 虚拟仪器技术是计算机技术和仪器技术深层次结合的产物 是一种全 新的仪器形式 它的出现使仪器与计算机之间的界限开始消失 是仪器发展史上的一场 革命 1 4 1 虚拟仪器简述 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件 结合高效灵活的软件来完成各种测试 测量和自动化的应用 自1986年问世以来 世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节 从而改善了产品质量 缩短了 产品投放市场的时间 并提高了产品开发和生产效率 使用集成化的虚拟仪器环境与现 实世界的信号相连 分析数据以获取实用信息 共享信息成果 有助于在较大范围内提 高生产效率 虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要 20年来 无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员 虚拟仪器在各种不 同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎 这都归功于其直观化的图形编程 语言 虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流 同时地图化 的用户界面直观地显示数据 使我们能够轻松地查看 修改数据或控制输入 19 美国国家仪器公司NI National Instruments 提出的虚拟测量仪器 VI 概念 引 发了传统仪器领域的一场重大变革 使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域 和 仪器技术结合起来 从而开创了 软件即是仪器 的先河 软件即是仪器 这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想 从这一思想出发 基于电脑或工作站 软件和I O部件来构建虚拟仪器 I O部件可以是独立仪器 模块 化仪器 数据采集板 DAQ 或传感器 NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品 如 LabVIEW GPIB产品 数据采集产品 信号处理产品 图像采集产品 DSP产品和VXI控 制产品等 1 4 2 虚拟仪器的优势 河北工程大学毕业设计 5 同其他技术相比 虚拟仪器技术具有四大优势 16 1 性能高 虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的 所以完全 继承 了以现成即用的PC 技术为主导的最新商业技术的优点 包括功能超卓的处理器和文件I O 使您在数据高速 导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析 此外 不断发展的因特网和越来越快的计 算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势 2 扩展性强 NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中 这得益于NI软件的灵活性 只 需更新计算机或测量硬件 就能以最少的硬件投资和极少的 甚至无需软件上的升级即 可改进整个系统 在利用最新科技的时候 我们可以把它们集成到现有的测量设备 最 终以较少的成本加速产品上市的时间 3 开发时间少 在驱动和应用两个层面上 NI高效的软件构架能与计算机 仪器仪表和通讯方面的 最新技术结合在一起 NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作 同时还提 供了灵活性和强大的功能 使我们轻松地配置 创建 发布 维护和修改高性能 低成 本的测量和控制解决方案 4 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念 随着产品在功能上不断地趋于 复杂 工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求 而连接和集成这些 不同设备总是要耗费大量的时间 NI的虚拟仪器软件平台为所有的I O设备提供了标准的 接口 帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统 减少了任务的复杂性 1 4 3 虚拟仪器系统的构成 虚拟仪器由硬件设备与接口 设备驱动软件和虚拟仪器面板组成 其中 硬件设备 与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡 通用接口总线接口卡 串行口 VXI总线 仪器接口等设备 或者是其它各种可程控的外置测试设备 设备驱动软件是直接控制各 种硬件接口的驱动程序 虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯 并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控 件 15 用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便 1 虚拟仪器系统的硬件构成 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件 计算机硬件平台可 以是各种类型的计算机 如台式计算机 便携式计算机 工作站 嵌入式计算机等 它 河北工程大学毕业设计 6 管理着虚拟仪器的软件资源 是虚拟仪器的硬件基础 因此 计算机技术在显示 存储 能力 处理器性能 网络 总线标准等方面的发展 导致了虚拟仪器系统的快速发展 按照测控功能硬件的不同 VI可分为DAQ GPIB VXI PXI和串口总线五种标准体系 结构 它们主要完成被测输入信号的采集 放大 模 数转换 2 虚拟仪器系统的软件构成 测试软件是虚拟仪器的主心骨 NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果 时 就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征 强调软件在虚拟仪器中的重要位置 NI 公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件 使用者可以根据不同的测试任 务 在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件 来实现当代科学技术复杂的测 试任务 在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件 特别是 系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析 使仪器中的一些硬件甚 至整个仪器从系统中消失 而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能 虚拟仪器测试 系统的软件主要分为以下四部分 1 仪器面板控制软件 仪器面板控制软件即测试管理层 是用户与仪器之间交流信息的纽带 利用计算机 强大的图形化编程环境 使用可视化的技术 从控制模块上选择你所需要的对象 放在 虚拟仪器的前面板上 2 数据分析处理软件 利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚 拟仪器系统的数据分析处理能力 节省开发时间 3 仪器驱动软件 虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件 仪器驱动器与通信 接口及使用开发环境相联系 它提供一种高级的 抽象的仪器映像 它还能提供特定的 使用开发环境信息 仪器驱动器是虚拟仪器的核心 是用户完成对仪器硬件控制的纽带 和桥梁 虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数 VI集 函数 VI是指组成驱动的模块 化子程序 驱动程序一般分为两层 底层是仪器的基本操作 如初始化仪器配置仪器输 入参数 收发数据 查看仪器状态等 高层是应用函数 VI层 它根据具体测量要求调用 底层的函数 VI 4 通用 I O 接口软件 在虚拟仪器系统中 I O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层 其 模块化与标准化越来越重要 VXI总线即插即用联盟 为其制定了标准 提出了自底向上 的I O接口软件模型即VISA 作为通用I O标准 VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点 即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的 应用工程师为带GPIB接口仪器 河北工程大学毕业设计 7 所写的软件 也可以于VXI系统或具有RS232接口的设备上 这样不但大大缩短了应用程 序的开发周期 而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段 16 1 5 课题研究的主要内容 本课题为水泵测试研究项目的一部分 旨在研究开发一款目前比较流行的基于USB接 口与labview的数据采集卡 本课题分为以下几个主要方面 l 熟悉USB协议及体系结构 掌握操作系统知识 2 完成USB接口数据采集卡硬件电路设计 3 设计水泵测试中的采集信号的处理电路 4 编写固件程序与驱动程序 5 用labview编写上位机读写USB的上位机程序 其中难点是在于硬件电路的设计 usb驱动及上位机程序的编写 1 6 课题意义 随着USB接口在PC机上已经成为标配以及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 基于USB接口的数 据采集平台的优势日益突显出来 目前在基于USB的数据采集卡已经成为一种流行趋势 但目前让有一些问题尚在研究发展之中 如 高速实时同步数据采集 本课题旨在研究 开发一款目前比较流行的基于USB接口的数据采集卡 为今后的大量应用奠定基石 河北工程大学毕业设计 8 第二章 基于USB数据采集系统整体设计 基于USB总线数据采集系统包括两部分 系统的硬件设计和软件设计 硬件设计部 分完成数据采集功能 并将采集的数据传送给PC机 软件设计包括USB固件程序 设备驱 动程序和上位机应用程序 整体设计思路为 用户通过主机端的应用软件下载USB固件代 码 并向采集系统发出读写指令以及对对A D的设置数据 采集系统收到指令后 根据所 收到的设置开始对外部模拟信号进行A D变换 转换后的数据有USB传输至计算机 在 labview上位机程序中实现数据的接收和读取和显示 下面以USB数据采集系统须达到的 技术指标来分别介绍这两部分的设计构想和原理 2 1 USB 数据采集系统的性能指标 1 接口方式 USB总线接口 支持USB2 0接口标准 可热插拔 即插即拔 2 输入通道 8个通道 3 测量信号 工业现场各类传感器的输出电压信号 电流信号 4 信号的输入范围 0 5V 5 A D分辨率 16Bit 6 用户程序要实现数据的接收和读取功能 2 2 USB 数据采集系统的硬件构成 基于usb总线数据采集系统的硬件部分 主要有以下几部分组成 18 A D模数转换芯 片 usb2 0主控器 电源设计 实现多通道数据采集 多通道输入数据经过A D的多通道 数据选择并转换 由usb接口控制芯片的IN端点读入缓冲区 在由其OUT端点输出至PC机 系统的工作流程为采集信号输入模数转换器 ads7815p 转换为数字信号用 cy7c68013的I O口引脚来控制ADS7825P 进行读数据 PC的用户应用程序发出接受数据 的请求 并由设备发出相应的响应决定是否开始传输数据 当系统上电后 系统自动识 别设备后加载驱动程序 usb控制器的控件程序通过USB电缆从主机自动下载到其应用程 序RAM中 并经过列举和重列举后开始正常工作 计算机可以通过用户软件取得系统的配 置信息 2 3 USB 数据采集系统的软件设计 河北工程大学毕业设计 9 数据采集 固件程序 驱动程序 界面程序 图 2 1 系统软件的层次图 USB 数据采集系统的软件部分一共包括三部分 芯片的固件程序 设备的驱动程序和 用户界面程序 这三部分 层次关系如图 2 1 所示 USB 固件程序是 USB 数据采集系统中 处于最底层的设备端 它主要完成对 USB 芯片 68013 A D 转换以及整个电路的初始化 将采集的数据送入 cy7c68013 的缓冲区发给 PC 机 接受并执行 PC 发出的指令 它负责 处理 PC 机发来的各种 USB 设备请求 并以外围电路进行数据传输 14 USB 驱动程序给用 户界面程序提供了软件和硬件的平台连接的通道 应用程序的主要功能是对采集的数据 进行读取显示 开发用户界面程序可以选择不同的开发软件 本系统中的应用程序软件 是 LABVIEW 它可以使用图形化编程语言 简单易懂 功能强大 河北工程大学毕业设计 10 第三章 数据采集系统硬件电路设计 本章主要介完成USB数据采集系统的硬件电路的设计 硬件电路设计部分主要包括多 通道A D转换电路 USB2 0主控制器 cy7c68013 外围电路设计 cy7c68013与模数转换 器ADS7825P的链接 传感信号调理电路 电源设计部分等 3 1 USB2 0 协议 3 1 1 USB 系统组成 首先了USB设备组成 并带着这些问题去阅读 USB系统的三个组成HOST HUB 和 Device CPU USB HOST CPU USB DEVICE 图 3 1 USB 最简单系统组成 HOST 主控器 PC 端的就是 HOST了 如果我们在 ARM 芯片或者单片机上加上一个 HOST芯片就可以读写U盘和其它的DEVICE 了 HUB HOST 只有一个 USB 口 如果要同时使用多个USB DEVICE HUB可以将一个 USB口扩充多个USB 口 市场上都有卖 DEVICE 似乎大家对这个最为亲切 因为我们接触最多就是 USB DEVICE 例如移动 硬盘 打印机 U 盘等 典型的 USB 系统都是由三者构成的 实际上主要是由 HOST 和 DEVICE 组成 最简洁的USB 系统构成如图 3 1 所示 其中 CPU 可以是PC机 单片机 ARM MIPS COLDFIRE POWERPC 3 1 2 USB 设备组成 河北工程大学毕业设计 11 接口A 接口A 接口C接口B 接口B 配置1 配置2 端点 图 3 2 USB 设备组成 一般 如图 3 2 所示 每个 USB 设备由一个或多个配置 configuration 来控制 其行为 使用多配置原因是对操作系统的支持 一个配置中是由接口 Interface 组成 接口则是由管道 Pipe 组 成 管 道 是 和USB 设 备 的 端 点 Endpoint 对 应 端点都是输入输出成对的 在固件编程中 USB设备 配置 接口和管道都有描述符 来报告其属性 虽然图中配置 接口 端点很多 但是一般使用的时候配置和接口我们 都只设置一个 根据数据传输的实际情况 来选择用哪个端点 每个芯片的端点数都是 一定的 例如 AN2131有 32个 68013 有 7 个端点 而实际工程中可能采用到其中的几 个 12 端点有了 就可以建立数据传输的管道 一个端点建立一个通道 一般管道的端点 总是成对出现 一个IN DEVICE PC 一个 OUT DEVICE PC 如图 3 3 端点0默 认配置为控制管道 用来完成所规定的设备请求 设备请求详见 USB 协议第九章 其它 端点可配置为数据管道 对开发而言 主要的大数据传输都是通过数据管道来完成的 用户需要根据实际数据传输速度来规定数据管道的传输类型 同时 每种数据传输都必 须根据数据请求的格式来进行 随着 USB1 X 的普及应用 为了增加 USB 接口的应用范围 USB IF 推出 USB2 0 规范 该规范在兼容 USB1 X 的基础至上 增加了 480Mbps 的高速数据传输 总线拓扑 上 USB2 0 仍然采用 USB1 X 的树型结构 物理连接上使用 USB1 X 定义好的A 型和 B 型接口 在传输速度上 USB2 0 支持 1 5Mbps 12Mbps 480Mbps 数据传输上USB2 0 河北工程大学毕业设计 12 同 USB1 1 规范 支持四种传输 控制传输 批量传输 中断传输和等时传输 在数据 包上 USB2 0 和 USB1 1 有着相同的数据格式 为了支持高速数据 USB2 0 增加了新 的令牌数据包 系统软件 主机适配器 Function 接口 逻辑设备 总线接口 应用软件 电缆和Hub 数据管道 控制管道 虚拟信息流 物理信息流 图 3 3 USB 多层次通讯模型 3 1 3USB2 0 数据帧 USB2 0 和 USB1 1 规范最大的不同之处就是数据帧 如图 3 4 在 USB1 1 规范中 USB数据采用每毫秒一个数据帧的方式进行数据传输 在毫秒数据帧的开始 USB主机 首先产生帧开始 SOF 数据包 并传输当前数据帧号 后面是传输数据 对于 USB2 0 规范 为了支持 480Mbps 高速传输速度 如图 3 5 USB2 0 提出了微帧的概念 每毫 河北工程大学毕业设计 13 秒数据帧又包括 8 个微帧 8 图 3 4 USB1 1 数据帧 图 3 5 USB2 0 数据帧 从图 3 4 和图 3 5 中可看出 在 USB 每个数据帧中包括的控制 中断 等时和 批量传输数据 每个传输类型分配一定的带宽 中断传输和等时传输有时间要求 所以 每个数据帧中均要分配一定带宽 3 1 4 USB2 0 端点缓冲区 河北工程大学毕业设计 14 相对于 USB1 X USB2 0 中每种传输类型的端点可以用更大的缓冲区 见表 3 1 表 3 1端点缓冲区大小 3 1 5 USB 插头插座 USB 是良好的屏蔽线 总共由四根线组成 见表 3 2 表 3 2 USB 接线信号 USB 接插头和座的类型有两种 A 型和 B 型 通过 A 和 B 从联结上来区分 USB HOST 和 USB DEVICE A 型用在 USB HOST 端 B 型用在 USB DEVICE 端 见表 3 3 表 3 3 USB 插头和座 其中 miniUSB 型插头和座 USB2 0 协议才有 河北工程大学毕业设计 15 3 2主要芯片介绍 3 2 1 为何选择 CY7C68013 目前 USB 芯片大致分为 5 大类型 1 单独运作的 USB 接口芯片 2 内含 USB 单元的微处理器 MPU 3 特定的接口转芯片 如 USB 转 RS 232 或 USB 转 ATA ATAPI 等 4 PC 端或主机端的 USB 控制器 由于后两种是属于 PC 主机板与芯片组制造商所开发的领域 不适合用户来开发 USB 外围设备 因此 对于一般的 USB 接口的开发者而言 可以选用前面的两种来满足 自己的设计要求 1 单独运作的 USB 接口芯片所谓USB接口芯片 即是仅包含USB的串行接口引擎 SIE FIFO内存 收发器以及电压调节器等的芯片 为了降低成本 有的仅包含模拟 的差动电路而已 这类的芯片只处理USB相关的通信工作 必须外加一个微控制器 MCU 来管理USB控制器的寄存器 设备描述符的获取和数据包的交换等 芯片提供一 个串行或并行的数据总线来与控制器进行连接 这样 外部接口可能比USB最大速度要慢 使得芯片只适合传送间歇数据 这种类型的接口芯片常用的有Philips公司的 PDIUSB11 11A 与 12 系列 National Semiconductor公司推出的USBN9602 9603 以及 NetChip公司的NET2888 与NET2890 等等 2 内含 USB 单元的微处理器 MPU 芯片内部已经嵌入了通用微控制器类型的USB 控制器芯片一般是在通用微控制器的基础上扩展了USB功能 其优点是开发者熟悉这些通 用微控制器的结构和指令集 相关资料丰富 易于进行开发 如Cypress公司基于增强型 8051内核的EZ USB FX系列 Motorola 公司基于68HC08系列的68HC08JB8 Atmel公司基 于AVR的AT76C711等USB控制芯片 采用单独运作的USB接口芯片的主要特点是成本低 接口形式多样 可靠性高 具有 很高的灵活性 尤其适合于产品的改型设计 缺点是开发者需要非常熟悉 USB 的协议 以处理 USB 总线事务 加大了编程设计人员的开发难度 延长了产品的开发周期 同时 要用微处理器控制收发器的工作 内含USB 单元的微处理器的优点是 CPU 只需要访问一系列寄存器和存储器 便可实 现 USB 口的数据传输 从而简化了程序的设计 开发难度减小 而且许多供应商还提供 许多范例电路和测试代码 使设计者从复杂的协议解释中得到解脱 13 在本设计中 主要考虑到应用 USB2 0 技术 使整个数据采集设备小型化 连接电 河北工程大学毕业设计 16 路简单三个方面的因素 选择了内部嵌入了微控制器 并且支持USB2 0协议的USB2 0接 口芯片CY7C68013该芯片属于Cypress公司的FX2系列 CYPRESS 公司推出的 CY7C68013 器件自从推出以来就受到广大用户的好评 主要原 因有 出色 USB2 0 单芯片解决方案 68013 包含增强型 8051 内核和智能 USB 接口优 良的性价比 其中56 引脚的 68013 市场售价不到 50 元 开发简单 CYPRESS 公司提 供了完整开发方案 如调试界面和固件框架真正体现 USB2 0 传输速度 包含通用可编 程接口 GPIF 实现与外设的 胶连接 增强型 8051 的指令周期只有 4 时钟周期 3 2 2 CY7C68013 芯片简介 1 芯片特点 图 3 6 FX2 框架图 CY7C68013 特点 3 USB2 0 单芯片解决方案 包括 USB2 0 收发器 串行接口引擎 SIE 和增强型 51 内核可 软配置 RAM 大小为 8 5K 取代传统 51 的 RAM 和 ROM 程序可通过下面方 式下载 1 通过 USB 口下载 2 通过外部 E2PROM 装载 河北工程大学毕业设计 17 3 外界存储设备 仅 128 引脚支持 4 通用可编程接口 GPIF GPIF 是 FX2 一个重要技术 5 可设置为主从模式 主模式下可对外部 FIFO 存储器 ATA 接口设备进行高 速读写操作 从模式下外部主控器 如 DSP MCU 可把 GPIF 端口当作 FIFO 进行高速读写操作 1 支持与外设通过并行 8 位或 16 总线传输 2 支持通过 GPIF 编程工具编程 灵活产生各种波形 3 支持多 CTL 输出和多 RDY 输入 4 增强工业级 8051 内核 5 支持 48M 时钟 6 4个时钟指令周期 在时钟为 48M 时 单指令执行时间为 83 3nS 7 两个 UART 8 三个 TIMER 9 多中断系统 10 双数据指针 11 3 3V 工作电压 12 智能串行接口引擎 SIE 13 USB 中断矢量 14 100KHz 或 400KHz I2C 接口 15 4个集成 FIFO 16 低成本与外设实现 胶连接 17 自动实现从 16 位 FIFO 转换 18 支持主从工作模式 19 FIFO 支持内外时钟和同步数据触发 20 轻松实现与 ASIC DSP 连接 21 包括 40 多个通用 IO 端口 22 4 种可选封装 56 引脚 SSOP 和 QFN 100 引脚 TQFP 和 128 引脚 TQFP 2 引脚说明 FX2的引脚主要可以分为几类 5 电源引脚 包括数字电源地和模拟电源地 系统引 脚 如时钟 USB 挂起外部唤醒 USB 差分数据线 复位引脚 中断 计数器输入 UART 通信 通用IOs 包括端口A B C D E 地址与数据总线 可用来外扩展 河北工程大学毕业设计 18 RAM GPIF主模式引脚 FIFO 从模式 SLAVE FIFO 引脚 引脚功能见图 3 7 图中 128 引脚封装 68013包括所有功能引脚 56引脚封装和100引脚封装只有其中的部分引脚 1 XTALIN 和 XTALOUT 时钟输入引脚 2 RESET 复位输入引脚 低电平有效 3 WAKEUP 外部唤醒引脚输入 低电平有效 4 SCL 和 SDA 为 I2C 接口时钟与数据引脚 5 IFCLK GPIF 时钟 可作为输入或输出 6 CLKOUT 时钟输出 可设置为 12M 24M 或 48M 时钟输出 作为其他外设时 钟 7 DPLUS 和 DMINUS USB 数据线 D 和 D 8 PB0 PB7 端口 B 复用引脚 可设置为 GPIF 数据总线的低八位 FD 0 FD 7 9 PD0 PD7 端口 D 复用引脚 可设置为 GPIF 数据总线的高八位 FD 8 FD 15 10 RDY0 RDY5 GPIF 主模式作为状态输入引脚 RDY0 和 RDY1 为 复用引脚 FIFO 从模式作为读写信号 SLRD和 SLWR 11 CTL0 CTL5 GPIF 主模式作为控制输出引脚 CTL0 CTL2 可复用为 FIFO 从 模式 12 作为状态标志引脚 FLAGA FLAGB FLAGC 13 PA0 PA7 端口 A 复用引脚 PA0 与中断 INT0 复用 PA1 与中断 INT1 复 用 PA3 与USB 唤醒可选引脚 WU2 复用 PA2 与 FIFO 从模式 FIFO 输出使能 引脚复用 PA4 与FIFO 从模式 FIFO 地址 FIFOADD0 引脚复用 PA5 与 FIFO 从模式 FIFO 地址 FIFOADD1引脚复用 PA6 与 FIFO 从模式包结束 PKTEND 引 脚复用 PA7 与 FIFO 从模式状态标志位 FLAGD 以及和 FIFO 从模式 SLAVE FIFO 使能 触发 SLCS 引脚复用 PA7 引脚功能由寄存器 IFCONFIG 1 0 来配置 1 RD WR CS OE PSEN 外扩 RAM 控制逻辑 2 EA 外部地址使能 3 RxD0 TxD0 RxD1 TxD1 串口 1 和 2 4 INT4 INT5 外部中断 5 TIMER0 TIMER1 TIMER2 计数器时钟输入引脚 说明 在实际应用中 用户需要根据项目需要来选择合适的 68013 芯片封装 128 引脚功能较全 可以外扩 RAM 两个串口可用来实现与其它 MCU 通信和程序在线仿真功 能 另外各种功能引脚也较多 但是设计较为复杂 56引脚优点是设计简单 成本较低 缺点则是不能外扩RAM和在线仿真功能引脚较少 故本设计中选用128引脚以方便外扩存 河北工程大学毕业设计 19 储器 河北工程大学毕业设计 20 图3 7 68013 功能引脚 3 存储器 对于 EZ USB 存储器都包括 RAM 6 没有 ROM 所以程序和数据都只能是存储在 RAM中 RAM 包括内部 RAM 和外部 RAM 内部 RAM 和 8051 的内部 RAM 功能一样 外 部RAM 则是 EZ USB 将传统 8051 部分外扩 RAM 放到了芯片的内部 用来存放数据和存 储 1 内部 RAM 内部 RAM 见图 3 8 和传统 8051 内部 RAM 功能相同 图3 8内部 RAM 2 外部 RAM 图 3 9 是 EA 0 时 FX2 中 RAM 的分布 EA 1 时情况很少使用 所以本文中不做 介绍 外部 RAM 包括两部分 片上外部 RAM Inside FX2 和外扩RAM Outside FX2 外扩RAM 是通过 128PIN 封装中的引脚 D0 D7 A0 A15 和 RD WR CS OE PSEN 来 实现的 对于 56PIN 封装 只有片上外部 RAM 地址 0 x0000 0 x1FFF总共 8KB 可以用 来存放程序或数据 地址 0 xE000 0 xE200 总共0 5KB只能用来存放数据 地址 0 xE200 0 xFFFF是寄存器和端点FIFO空间 7 0 xE000 0 xFFFF 详细分布见图 3 10 总共 有 8 5K 的程序和地址空间 如果端点缓冲区没有用到 也可以用来存放数据 程序可 设置范围为0 x0000 0 x1FFF 数据可设置范围为0 x0000 0 x1FFF 0 xE000 0 xE200和 0 xF000 0 xFFFF 仅在端点缓冲区没有使用的情况下可以设置 如果程序使用了中断 则 地址空间 0 x0000 0 x0080 空间作为中断程序入口地址 不能使用 地址空间设置见图 河北工程大学毕业设计 21 3 11 对于128引脚封装FX2 如果扩展了外部RAM 则外部RAM中数据可设置范围是 0 x2000 0 xDFFF 程序可设置范围是 0 x2000 0 xFFFF 图 3 9内嵌外部RAM 河北工程大学毕业设计 22 图 3 10 寄存器和断点 FIFO 地址 图 3 11 XDATA 和 CODE 空间分配 各地址空间访问方法包括寄存器 内部 RAM 和外部 RAM 4 CY7C68013 的枚举和重枚举 1 FX2 的枚举 9 当首次插入一个USB 设备时 要经过以下几个步骤 主机向地址 0 发送Get Descriptor Device 获取描述符 设备 的要求 设备用固件下载之前的 PID 响应主机的要求 主机根据设备应答 ID 安装下载固件的设备驱动程序 由固件装载设备驱动程序 将设备的固件下载到 FX2 芯片上 固件装载设备驱动程序使 8051 脱离复位状态 并开始运行固件应用程序 8051 固件在电气上断开FX2 设备与USB 总线的连接 以上的过程 就称为 FX2 的枚举 2 FX2 的重枚举 因为Cypress 公司的EZ USB 2100 系列 FX 系列和FX2 系列具有软特性 所以它能 在许多不同的USB 设备中表现出共性 当插上外围设备时 设备首先通过USB 总线下载 的是8051 的固件和设备描述符 下载完成后 当下一次设备访问时 该设备就作为信息 中所定义的完全不同USB 外设来处理 这两步的过程称为 重枚举 3 1 3 ADS7825P 简介 目前 随着数据采集应用的日益普遍 为了满足不同场合和分辨率的要求 模数转 换芯片也是种类繁多 选择 A D 转换芯片需要考虑器件本身的性能和具体的应用要求 选择 A D 转换芯片要考虑一些参数指标 如芯片精度 芯片的转换速度和芯片的转换量 程等 1 精度 与系统测量的信号范围有关 但估算时要考虑到其他因素 转换器位数应 该比总精度要求的最低分辩率高一位 常见的 AD 器件有 8 位 10 位 12 位 14 位 16 位等 2 速度 应根据输入信号的最高频率来确定 保证转换器的转换速率要高于系统要 求的采样频率 3 模拟信号类型 通常 AD 器件的模拟输入信号都是电压信号 而 DA 器件输出的 模拟信号有电压和电流两种 为了匹配 USB2 0 的高速传输特性 满足广泛的实际需要 本设计选用的是采样速 度快 分辨率高的 A D 转换器 ads7825p ADS7825是Burr Brown公司生产的4通道16位CMOS A D转换器 精度高 转换速率 河北工程大学毕业设计 23 快 具有如下特点 1 数据采样和转换时间不超过25 s 2 单一 5 V电源供电 最大功耗为50 mw 3 4路模拟输入 输入电压范围为 10 V 4 转换数据可以并行和串行输出 5 补码输出ADS7825的转换速度和精度在同类产品中是比较高的 因此是常用的高 速数据采集A D转换芯片 ADS7825的引脚如图3 12所示 图 3 12ads7825 引脚 主要控制引脚及说明 BYTE 字节选择端 仅用于并行模式 当BYTE为高电平时 在D0 D7 端输出低8 位数据 当BYTE为低电平时 输出高8位数据 R C 读数据 转换选择端 通过该引脚可以完成启动A D转换或转换数据的读出 CS 片选端 不论是启动转换还是读出数据 都要对该引脚进行低逻辑电平操作 BUSY 忙端 在开始启动转换之后 要维持该引脚为低电平 直到转换结束并把转 换的数锁存到输出寄存器为止 PAR SER 并行 串行数据输出选择端 当该引脚为高电平时 8位并行数据在D0 D7 河北工程大学毕业设计 24 端输出 当该引脚为低电平时 串行数据在16引脚SDATA端输出 CONTC 连续转换输入端 当CONTC为低电平时 完成通常情况下的A D转换 当 CONTC为高电平时 只要CS R C PWRD 保持低电平 就可以完成4个输入通道 连续循环 的A D转换 如下表3 4是ADS7825主要控制引脚功能表 表 3 4 ADS7825 主要控制信号功能表 BYTER C CS BUSY功 能 0转换模式 用 CS 及 R C 逐次驱动 CONTC 0 00启动 A D 转换 000A D 正在转换 001A D 转换完成 可读数据 101允许读数 001BYTE 0 输出 D8 D15 PAR SER 1 101BYTE 1 输出 D0 D7 PAR SER 1 注 1 PAR SER 1 数据 D0 D7 并行输出 PAR SER 0 数据 D0 D7 串行输出 2 CONTC 0 转换模式 用 CS 及 R C 逐次驱动转换 CONTC 1 转换模式 采样 4 道连续循 环 3 SYANC TAG SDATACLK EXT INT 在串行通信中使用 3 2 USB 采集系统原理电路设计 3 2 1 主芯片外围电路设计 USB控制器及其外围电路组成了数据采集系统的数据读取和传输模块 这部分电路主 要负责读取和传输A D转换ADS7825P转换后的数据 并负责与PC的通信 10 由于 CY7C68013 集成了多重功能 所以外部电路就显得不是很复杂 减少了一般电路复杂的 外部数据线和信号线的连接 提高了整个数据采集系统的可靠性 USB控制器部分外围电 路原理图如图 3 13 所CY7C68013 用自己的片内晶振电路和一个外部 24MHz 晶振组成系 统的时钟电路 它有一个片内锁相环 PLL 电路 利用 PLL 可以24MHz 振荡器频率倍 频至 480MHz 供收发器使用 CY7C68013内部计数器把 24MHz 的频率分频为内部 8051 需要的默认的 12MHz 的时钟频率 XTAL IN 和 XTAL OUT为晶振的输入和输出引脚 分 别与晶振相连 同时 晶振的两个引脚分别通过一个 22pF 的负载电容接地 DMINUS 和 DPLUS 为 U