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1、2013届本科毕业设计（一号黑体居中）基于USB数据采集系统的设计（二号黑体居中)院 （系） 名 称物理与电子信息学院（小三号黑体）专 业 名 称电子信息科学与技术（小三号黑体）学 生 姓 名张三丰（小三号黑体）学 号（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IABSTRACTII第1章 引言1第2章 概述22.1 USB数据采集系统概述22.2 本设计方案思路32.3 研发方向和技术关键42.4 主要技术指标4第3章 总体设计53.1 扭矩传感器53.2 A/D转换器53.3 USB2.0控制器63
2、.4 PC机终端83.5 其他说明8第4章 软件设计94.1 USB 驱动程序设计94.2 上位机界面程序设计11第5章 调试和测试195.1 调试程序中的问题195.2 测试步骤195.3 测试结果20结论22致谢23参考文献24附录25摘 要本USB数据采集系统实现了对于电机扭矩的测量、以及数据的处理、传输、显示和储存。USB数据采集系统主要包括扭矩传感器、A/D转换器、USB2.0控制器和PC机终端等四部分。上位机软件设计主要包括USB驱动程序的编写和上位机应用界面程序的编写。软件的编写在Visual C+ 6.0的开发环境中完成，利用Driver Works，结合DDK和Visual
3、C+ 6.0完成USB驱动程序的编写。 本设计方案实现了对于电机扭矩的USB数据采集，以及对数据储存、处理、显示和相应的曲线绘制：USB接口做到了高速、稳定、可靠、准确；完成了上位机对USB数据采集所得数据的接收、处理和储存，并在界面中显示出接收到的数据（每次接收采集1 K Byte的数据）；绘制USB数据采集所得数据相应的曲线，直观地反映数据的变化情况，并增加了曲线的实时缩放功能，便于观察和分析。关键词：USB，数据采集，Visual C+ABSTRACTThis is a USB data acquisition system for the realization of the moto
4、r torque measurement and data processing, transmission, storage and display. This USB data acquisition system mainly includes four parts: the torque sensor, A / D converter, USB2.0 controller and PC terminal. Computer software design includes USB drivers and the Application procedures for the Applic
5、ation interface. Software is finished in the development environment of Visual C + + 6.0. Using Driver Works, cooperating with DDK and Visual C + + 6.0, USB driver is completed. The designing plan for the realization of USB data acquisition for the motor torque, storing, processing, display of the d
6、ata and drawing the corresponding curve: USB high-speed, stable, reliable and accurate interface; completion on PC of reception, processing, storing and displaying of data from the USB data acquisition (collects 1 K Byte data each time); drawing corresponding curve for the data from the USB data acq
7、uisition, which reflects the data changes intuitively; real-time changing of the scale of the curve for better observation and analysis.Key words：USB，Data Acquisition，Visual C+第1章 引言数据采集系统是基于计算机的、实现灵活并由用户自定义的测量系统，它主要完成数据信息的采集、A/D转换、压缩处理，然后通过PC接口总线将处理后的数据送入计算机作进一步处理。随着计算机技术的飞快发展和普及，以数据采集系统为核心的设备也迅速在国
8、内外得到了广泛的应用，现代工业生产和科学研究对数据采集的要求越来越高，如在工业控制中现场数据的采集，温度、压力等数据的采集，在比较重要场所安装的监控设备，还有视频会议、可视电话等场合中，都需要进行高速数据采集。现在常用的采集方式是数据采集板卡，常用的有A/D卡以及422、485等总线板卡，采用板卡不仅安装麻烦，价格昂贵，容易受到机箱内环境的干扰，通讯过程中极易产生错误，而且由于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，在一些电磁干扰性强的测试场所，可能无法专门对其作电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真，针对上述问题，急需采用新的技术解决。从20世纪90年代以来有很多串行总线问世，其
9、中最成功的便是以Intel为首的七家公司于1994年推出的 USB(Universal Serial Bus)通用串行总线协议，以及美国电气和电子工程师协会推出的IEEE1394总线协议。IEEE1394主要的特点是高速，但它的成本很高。所以目前IEEE1394只用于一些专用系统和打印机扫描仪等数据传输速度要求较高的设备，而不能普遍用于诸如鼠标键盘等价格较低、速度要求也不高的设备，所以确切地说 IEEEI394只适于高速的计算机外部设备。USB具有速度高、成本低、功耗低、支持即插即用 (Plug & Play)和使用维护方便等优点。USB总线从诞生之日起便引发了一场产业革命。它以灵活、方便、应
10、用范围广、通信稳定、成本低廉等优点，使得PC接口纷纷从串行口和并行口转到USB总线上来。随着USB2.0版本的发布，USB越来越流行，它已经成为一个标准接口。目前市场上出售的所有PC机都支持USB，而且很多外设只推出了USB版本，如移动硬盘和U盘等。可见，USB能够很好的解决以上问题,适合于应用在数据采集系统中。第2章 概述2.1 USB数据采集系统概述数据采集技术是以传感器技术、测试技术、电子技术和计算机技术等技术为基础的一门综合应用技术，这些技术水平的进步尤其是计算机技术的普及和发展提升了数据采集的技术水平。在生产过程中，应用数据采集系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产
11、品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。与其他接口相比，USB接口具有以下优势：1）速度快。有高速和低速两种方式，主模式为高速模式，速率为12Mbps，USB2.0版规范允许480Mbps的速率传输数据。另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等，还提供低速方式。相比之下，串口数据传输率是115kbps-230kbps，标准并口的数据传输率为1MBps，这些都远低于USB的传输速率。2)设备安装和配置容易。设备支持
12、即插即用，安装设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备完全不用关闭计算机。所有设备支持热插拔，系统对其进行自动配置，不再占用中断资源或者资源，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。为接缆和连接头提供了单一模型，解决了外设越来越多所造成的插槽紧张问题。3)易于扩展。通过使用扩展，可接多达127个外设。标准电缆长度为3m(低速5m)，通过或中继器可以使外设距离达到30m。4)使用灵活。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。5）能够采用总线供电。总线提供最大达，电流，对于功耗较小的设备来说这是非常有效的。6）节省系统资源。在USB系统中，只有USB主控制器需要使
13、用一根IRQ线和一些I/O地址空间。对USB外设来说，它需要的仅仅是USB系统为其分配一个唯一地址，而这个地址只有USB子系统知道。7）可靠性。USB系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可靠性。USB发送器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声。在USB协议中包含了数据错误和检测机制，用来确保数据准确无误地发送和接收。当然，USB也有着自身的局限性，如距离的限制，协议比较复杂使得开发难度较大等。但综合考虑，USB数据采集系统的优势还是较为明显的，尤其高速、大容量的应用场合。基于USB的数据采集系统的研究与发展动态：USB设备的应用目前在国外处于高速发展阶段，国
14、外有些企业也已经推出了很多能适应不同条件、不同精度要求的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月推出了八款最新USB 2.O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。但是Nl公司的USB数据采集卡系列产品的价格都比较昂贵。USB设备在国内的应用己经起步，发展速度较快，水平不断提高。随着USB体系结构的逐步完善，USB被越来越多的厂商所支持和推崇，也将应用到更广的领域，市场上国内的主要产品有北京优采
15、公司uA30o系列、四川拓普公司的UDAQ、UBOX、UCARD等系列。总而言之，目前国内对USB数据采集设备的研制己经取得了可喜的发展，但是与国外相比，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协议规范开发符合多种场合的数据采集系统，以及此领域内先进产品的国产化等都成了有待解决的现实问题。本USB数据采集系统主要针对于电机扭矩的测量和采集，性价比较高，适当加以改造就可以应用于许多其他数据采集场合，具有较强的可移植性。本系统由我和另外一名同学共同完成，我主要负责上位机驱动程序和界面应用程序的编写。2.2 本设计方案思路本设计以实现电机扭矩的测量、显示和数据储存为主要目的；以模拟信号采集、处理与传输，USB驱动程序编写和PC上位机界面编写为主要设计内容。USB驱动程序的编写：在理解USB 2.0 协议的基础上，利用Driver Works，结合DDK和Visual C+6.0完成；PC上位机界面的编写：在熟悉Visual C+6.0编
