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1、（基于USB的便携式数据采集系统设计） 何文华 西安理工大学学 位 论 文 题 名 ） 作者姓名 西安理工大学分类号 UDC密 级学 号 硕士学位论文 基于 USB的便携式数据采集系统设计 学 科 门 类： 工 学 学 科 名 称： 电路与系统 指 导 教 师： 申 请 日 期： 2011年3 月 I摘要论文题目：基于USB的便携式数据采集系统设计学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本
2、人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日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，同意学校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 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。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要传统的数据采集卡普遍采用PCI、ISA等标准接口，基于这些标准接口的采集卡有不便于携带、安装复杂、可扩展性差等问题，它已不能满足科研和生产的实际需要。通用串
3、行接口USB作为一种新型的串口通信标准，具有传输速率高、可扩展性好、即插即用、使用灵活等特性，很好的弥补了传统采集卡接口的缺陷。本文结合USB的传输优势和FPGA 的高效性能，设计了一种基于USB的便携式数据采集系统。文中首先简单的对USB总线的特点以其相应的体系结构进行了介绍，然后对硬件电路、软件程序以及系统测试几个方面进行了深入论述。在硬件设计方面：选用的系统硬件主要由模数转换模块、FPGA主控制器模块、USB接口模块以及电源模块构成；根据系统要实现的功能以及芯片的工作方式完成了电路的连接，同时完成了系统的原理图设计和PCB图的绘制。在软件设计方面：根据系统的设计要求，重点研究了三部分内容
4、：FPGA控制程序、USB固件程序以及客户端应用程序。同时详细介绍了各部分软件的具体设计思想，并给出了相应的程序流程图与调试结果。最后，结合硬件和软件对整个系统进行了最终测试，并给出了测试结果和分析。结果表明：该数据采集系统的功能符合设计要求，能够满足一般工业现场对数据采集系统便携性、低功耗以及对数据传输速度要求较高的任务需求。关键词：数据采集；USB2.0；FPGA；固件程序；应用程序Title: PORTABLE DATA ACQUISITION SYSTEM DESIGN BASED ON USBMajor：Circuits and systems Name： WenHua He Sig
5、nature: Supervisor：Prof. ShuiYu WANG Signature: AbstractTraditional data acquisition card is commonly used standard interfaces such as PCI 、ISA，but the acquisition card is not easy to carry, install and expand. So it can not meet the actual needs of the research and production.The Universal Serial i
6、nterfaces USB as a new standard of serial communication, it has a high transmission rate, good scalability .At the same time,it is easy to plug and play, variety in use. So it is compensated for the defects of traditional capture card interface.In this paper, along with the efficient performance of
7、the transmission advantage of the USB and FPGA, a portable data acquisition system based on USB2.0 have designed and implemented .The paper first briefly describes the architecture and features of the USB bus, then conducted in-depth discussion on aspects of the hardware circuit, software programs,
8、and system testing.In the Hardware：We mainly completed AD converter circuit design, FPGA host controller peripheral circuit design,the USB interface circuit design and the power module design. The connection between each part of the chip operating modes and systems to achieve the function. Complete
9、system schematic design and PCB diagram of the hardware circuit system,In the software：According to the design requirements, we focus on the three sections: the FPGA control-program design, USB firmware design and client application program design.At the time,describeing in detail the various parts
10、of the software design ideas.We also give the corresponding program flowchart and debugging results.At last ,combination of hardware and software , testing the entire systemis was tested and the test results and analysis were gived. The results showed that the data acquisition system can meet the de
11、sign requirements which the general industrial field data acquisition system portability, low power consumption and higher data transfer speeds .Key words: Data acquisition; USB2.0; Firmware; Application目录目 录 1绪论11.1研究背景与意义11.2 国内外研究现状与趋势11.3 本文研究的主要内容22 USB简介32.1 USB总线的特点32.2 USB总线结构32.3 USB设备的开发流程
12、53 系统总体设计73.1 系统的性能指标73.2 系统方案的确定73.3 硬件构成83.4 软件构成94 系统硬件电路的设计与实现114.1 FPGA114.1.1 FPGA简介114.1.2 FPGA芯片的选择124.2 AD转换器的选择134.3 USB接口芯片的选择154.3.1 CY7C68013A芯片结构154.3.2 CY7C68013A的端点缓冲区164.3.3 CY7C68013A的接口模式174.4 AD电路设计184.4.1接口的电平转换184.4.2 TLC5510外围电路设计194.5 USB电路设计194.5.1 USB与FPGA的接口电路204.5.2 USB的外
13、围电路214.6 FPGA外围电路设计224.6.1时钟电路及复位电路224.6.2FPGA下载配置与调试接口电路设计234.7 电源电路的设计244.8 抗干扰和PCB设计265 系统软件设计275.1 FPGA逻辑设计275.1.1 ADC控制模块设计285.1.2 FIFO在FPGA中的应用305.1.3 时钟与分频模块设计325.1.4 USB控制模块335.1.5 FPGA总体控制逻辑设计355.2 驱动程序365.2.1 驱动程序简介365.2.2 驱动程序的安装375.3 固件程序385.3.1 固件功能385.3.2 固件基础395.3.3 固件程序的设计415.3.4 固件程
14、序的实现475.4 用户程序的编写495.4.1 应用程序和USB设备的通信495.4.2 用户界面程序506 测试536.1 FPGA与USB的通信测试536.2 USB设备速率测试546.3系统功能测试556.3.1 USB设备的识别556.3.2 数据的采集567 主要研究工作总结与展望597.1 总结597.2 展望59致 谢61参考文献62攻读硕士学位期间取得的研究成果64符录电路原理图65I绪论1绪论1.1研究背景与意义数据采集系统是指对各种传感器输出的模拟信号进行采集，通过AD转换器将模拟信号转换成数字信号，然后把数字信号送入计算机进行处理，并按需要的形式输出处理结果的系统。伴随着科学技术飞速的发展，数据采集系统作为获取信息的重要途径以及探索科学奥秘的重要手段已广泛应用于各个领域。目前常用的数据采集方式主要是将基于ISA或PCI的数据采集板卡安装在工业控制机或者PC机内。但是这种数据采集方式有很多的缺陷：(1)插拔困难、安装复杂、价格比较贵，并且计算机的插槽数量、地址、中
