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1、洛阳师范学院毕业设计2013届本科毕业论文（一号黑体居中）基于USB传输的数据采集及处理系统毕业设计院 （系） 名 称物理与电子信息学院（小三号黑体）专 业 名 称物理学（小三号黑体）学 生 姓 名张三丰（小三号黑体）学 号090514111（小三号Times New Roman）指 导 教 师何大壮教授（小三号黑体）完 成 时 间2013年5月8日（小三号黑体）目录摘要I第1章：绪论11.1 引言11.2课题背景11.3主要工作2第2章USB简介和数据采集原理32.1USB简介32.2数据采集的原理7第3章 整体系统方案的选定93.1方案构思93.2方案论证9第4章 数据采集系统的硬件设计1
2、14.1 系统硬件的结构114.2 接口硬件设计114.3 MCU外接电路12第5章 器件介绍155.1 C8051F330芯片155.2 CH375芯片16第6章 系统软件设计186.1数据采集模块的设计186.2 USB设备驱动程序开发186.3设备固件设计216.4 设备应用程序设计22致谢30参考文献31第1章：绪论1.1 引言数据采集就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量也可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储纪录的过程。控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的
3、核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（Data Acquisition System,DAS）。数据采集系统的好坏取决于他的精度和速度。在保证精度的情况下尽可能的提高速度以满足实时采样、实时处理、实时控制的要求。数据采集监测已成为日益重要的检测技术，广泛应用于工农业等。数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。生产过程中，这一系统可对现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量，降低生产成本提供信息和手段。在科学研究中应用该系
4、统可以获得大量动态是研究瞬间物理过程的重要手段，也是获取科学奥秘的重要手段之一。总之无论在哪个领域，数据采集系统，应用的越及时，工作效率就越高，获得的经济利益就越大。现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。在许多场合要求数据采集系统向便携化方向发展，要求系统具有体积小、功耗低、传输速率快、使用方便灵活等特点。在数据采集系统中，如何节省电能以使系统工作时间更长，如何通信才能使系统数据传输速度更快，已经成为系统开发过程中考虑的主要内容。1.2课题背景在数据采集系统中，传统的外设与主机的通信口一般采用ISA、PCI、1394等标准，基于这些接口的产品，安装麻烦，价格昂贵，并受计算机插槽数量、
5、地址中断资源限制，且可扩展性差，USB的出现，很好地解决了以上问题。 USB作为一种新型的串口通信标准，具有较高的传输速率，可扩展性好，采用总线供电，使用灵活。它共有4种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，以适应不同设备的需要。 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。过去人们单纯追求计算机与外设之间的传输速度，现在纠错能力和操作安装的简易性也成为人们关注的目标。USB通讯技术的出现，使高传输速度、强纠错能力、易扩展性、方便的即插即用，有机的结合在一起1.3主要工作 本论文所设计的数据采集系统是在单片机C8051F330控制下进行数据采集，并通过沁
6、恒公司的USB 总线接口芯片CH375上传给PC机进行分析、显示和存盘。该系统用传统的USB总线取代了RS232串行总线，通过对USB协议和设备构架的充分理解，对以单片机C8051F330和USB接口芯片CH375为主的数据采集系统进行了硬件设计和软件编程，并在此设计的基础上给出相应的原理图。硬件设计主要解决的是CH375与单片机的接口电路的设计。软件设计可分为三部分:一是充分了解CH375的主要功能特点，为满足CH375在USB上的最大传输速率而编写固件程序；二是在充分了解WDM驱动程序的基础上编写USB的设备驱动程序；三是编写出界面友好、具有强大的数据处理和分析能力的应用程序。第2章USB
7、简介和数据采集原理2.1USB简介2.1.1USB的主要特点通用串行总线(Universal Serial Bus，简称USB)是康柏、微软、IBM、DEC等公司为了解决传统总线的不足推出的一种新型串行总线接口规范通用串行总线。通用串行总线是连接外部设备的一个串口总线标准，在计算机上使用广泛，但也可以用在机顶盒和游戏机上，补充标准（On-The-Go)使其能够用于在便携设备之间直接交换数据。USB的主要特点如下:1. 速度快。USB速度比平行埠并联总线（Parellel Bus，例如EPP、LPT）与串联埠总线（Serial Port，例如RS-232）等传统电脑用标准总线快上许多。原标准中U
8、SB 1.1 的最大传输带宽为 12 Mbps。 USB 有全速和低速两种方式，主模式为全速模式，速率为12Mbps，从而使一些要求高速数据的外设，如:高速硬盘、摄像头等。另外为了适应一些不需要很大吞吐量但是有很高实时性要求的设备，如鼠标、键盘、游戏杆等，USB还提供低速方式，速率为1.5Mbps。如表2-1所示。 新推出的USB2.0协议提供最高达480Mbps的数据传输速率可以适应各种不同类型的外设。性能应用特性低速：交互设备、10-20kb/s键盘、鼠标、游戏棒低价格、热插拔、易用中速：电话、音频、压缩视频、500kb/s-10Mb/sISBN、PBX、POTS低价格、易用性、动态插拔、
9、限定带宽和延迟高速：音频、磁盘、25-500Mb/s音频、磁盘高带宽、限定延迟、易用性表2-1 USB使用分类表2. 支持热插拔。 所有的USB 设备可以随时的插入和拔离系统，USB 主机能够动态的识别设备的状态，并自动给接入的设备分配地址和配置参数，添加、删除设备完全不用关闭计算机。3. 易于扩展。USB使用的是一种易于扩展的树状结构，通过使用USB Hub扩展可连接多达127个外设。标准USB电缆长度为3米(低速为5米)。通过Hub或中继器可以使外设距离达到30米。4. 使用灵活。 USB共有4种传输模式:控制传输(control)，步传输(synchronization)、中断传输(in
10、terrupt)、批量传输(bulk)，适应不同设备的需要。5. 能够采用总线供电。 普通使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而USB设备则不需要，因为USB接口提供了内置电源, USB电源能向低压设备提供最大5V， 500mA 的电源，从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。6. 实现成本低。 USB对系统与PC的集成进行了优化，适合于开发低成本的外设。2.1.2USB的互连USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要要包括以下几方面：总线的拓扑结构：USB设备与主机之间的各种连接方式；内部层次关系：根据性能叠置，USB的任务被分配到系统的每一个层次；数据流模式：描述
11、了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式；USB的调度：USB提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度以支持同步数据传输，并且避免的优先级判别的开销。2.1.3 USB的主机图2-1展示了USB通信模型之间基本的信息流与互连关系。主机与设备都被划分成不同的层次。由图2-1可见，主机上垂直的箭头是实际的信息流。设备上对应的接口是基于不同实现的。在主机与设备之间的所有通信最终都是通过USB的电缆进行，然而，在上层的水平层之间存在逻辑的主机-设备信息流。主机上的客户软件和设备功能部件之间的通信是基于实际的应用需求及设备所能提供的能力。客户USB系统主机控制器功能部件USB设备USB
12、总线接口逻辑的信息流实际的信息流 图2-1 通信模型层次关系图USBD提供了供操作系统组件特别是设备驱动程序访问设备的一组接口。这些操作系统组件只能通过USBD来访问USB。USBD的具体实现基于不同的操作系统。一个USBD可以访问一个或多个HCD，而一个HCD可能与一个或多个主机控制器相连。某些操作系统可能允许对USBD的初始化进行一些设置。从客户的观点来看，与客户进行通信的USBD管理着所有连接着的USB设备。2.1.4 USB的物理层USB的物理接口包括4根线,分别为电源线,数据线+,数据线-,地线。其中D+和D-是一对差模的信号线，而电源线和地线提供了5V的电源，它可给一些设备（包括H
13、ub）供电。USB信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线，而且最长不能超过5m。而在低速模式时中可以使用不带屏蔽或不是双绞的线，但最长不能超过30m。传输距离的限制主要是由于信号衰减原因，为了提供信号电压保证以及与终端负载相匹配，在电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载，这种终端负载也保证了能够检测外设与端口的连接或分离，并且可以区分高速与低速设备。本文设计的基于USB总线的数据采集系统正是充分地利用了USB 总线的上述优点，从而有效地解决了传统数据采集系统的缺陷。很方便地就能够实现低成本、高可靠性、实时的数据采集，适用于对瞬态信号进行采集和处理。2.1.5USB协议简介USB总线协议是以I
14、ntel为主，并由Compaq,Microsoft,IBM,DEC,NorthernTelecom以及日本NEC共7家公司共同制定的串口标准，1994年11月制订了第一个草案，1996年2月公布了USB规范版本1.0，1999年2月发布的USB规范版本2.0草案。要对USB传输有个清楚的了解首先必须要了解两个基本概念:端点和管道。(l)端点 所有的传输都是传送到设备端点，或是从设备端点发出。端点其实就是一个能够储存多个字节的缓存器。在USB规范中，端点被定义为“USB设备中唯一可寻址部分，是主机与设备之间通信流的来源或去向。” 每个端点所需的唯一地址是由端点编号和方向组成的。编号范围可以是0-
15、15，方向则基于主机的角度:创表示朝向主机，OUT表示远离主机。配置为执行控制传输的端点必须在两个方向上都能传输数据。所以控制端点实际上包含一对共享一个端点编号的创和OUT端点。 每个设备都必须将端点0配置为控制端点。其他传输类型则仅以一个方向发送数据。一个单一的端点编号既可以支持IN端点地址，也可以支持OUT端点地址。除了端点0外，中速设备还可以再增加30个端点(1-15，每个都既支持IN，又支持OUT)。低速设备仅限于再增加2个端点，采取任何方向组合。 端点的特性，主要包括数据传输方式(用于IN事务的端点、OUT事务的端点和SETUP事务的端点等)、总线访问频率、带宽、端点号(由USB接口芯片定义)和数据包最大容量等。除了端点0(用作控制传输端点，默认)外，端点必须在设备被主机配置后才能使用。(2)管道 管道(PIPE)，并不像端点那样具有实在的意义。它只是一种逻辑上的概念，它是指主机与设备端点之间的连接。管道
