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1、河南师范大学本科毕业论文 学号： 110407221基于USB的数据采集系统的研究与设计学院名称： 物理与电子工程学院 专业名称： 电子信息工程专业 年级班别： 11级电信02班 姓 名： 指导教师： 2015年05月河南师范大学本科毕业论文 基于 USB 的数据采集系统的研究与设计摘 要 数据采集技术是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等，涉及模拟信号调理、模拟信号数字化、数字信号处理等，具有很强的实用性。USB 技术以其支持热插拔和即插即用、占用系统资源少等特点迅速得到了广泛的应用。USB2.0 凭借其480
2、Mbps 的理论传输速度，更是得到了人们的青睐。论文基于课题的研究内容，给出了一种用 USB2.0 总线技术解决数据采集系统接口问题的实施方案。文中首先深入研究了USB 的体系结构，然后结合提出的方案，较为全面地介绍了系统的硬件和软件设计。其中硬件部分具体描述了 USB2.0 控制器CY7C68013 和模数转换芯片MAX125 的接口设计，同时也给出了各种电源转换的实现方法。在软件部分，通过分析EZ-USB 的固件编程框架，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；驱动程序是系统硬件和客户应用程序之间通信的桥梁，文中介绍了USB 的WDM 功能驱动程序设
3、计过程；最后，设计了数据采集和保存的应用程序，并对其功能做了解释。论文所设计的基于 USB2.0 总线技术的数据采集系统具有14 位分辨率，单通道250KHz采样频率和30Mbps 传输速率。系统不仅实现了数据的采集、传输和保存数据的功能，并且具有热插拔、即插即用、便携式的特点，达到了预期的效果。关键词： 数据采集；USB2.0；CY7C68013；MAX125；驱动程序 IRESEARCH AND DESIGN OF DATA ACQUISITIONSYSTEM BASED ON USBABSTRACT Data acquisition technology is a synthetical
4、 application technology based on technologies of sensor, signal measure and disposal and computer, and it studies on data acquisition，memory,disposal and control, etc., it includes analog signals modulation, analog signals digitalization,digital signal processing and so on, so it is greatly useful.
5、USB (Universal Serial Bus) technology is widely used because of the attributes of hot-plug-in, plus-and-play, engrossing less system resource. The USB2.0 has been paid much attention depending on the theory transfer rate of480Mbps. Based on the research, the solution to the data acquisition system w
6、as put forward with theUSB2.0 technology in the paper. With the analysis on the subject, the architecture of the USB was deeply analyzed firstly, and according to the scheme of the data acquisition system, the detailed hardware and software design was introduced. In the hardware section, the interfa
7、ce between the CY7C68013GPIF (General Programmable Interface) and the A/D converter was introduced, and the various DC-DC circuit were embodied. In the software section, the “wave descriptor” and the whole communication process of CY7C68013 in the GPIF master mode were expounded; and the testing res
8、ult of the firmware was listed at the end of the firmware part;Function driver is the bridge between hardware and host software, and the design process of the WDM (Windows Driver Mode) driver for the USB was introduced here; Finally the application software used to exhibit the curves and save data w
9、as designed, and the functions of the softwarewere also explained. The data acquisition system based on the USB 2.0 technology has 14-bits resolution, single channel sample rate is 250KHZ, and the transform rate is 30Mbps. The system not IIonly achieves the data acquisition, transforming and memory,
10、 but also has the attributes of hot-plug-in, plus-and-play, and man-pack. The expect result is achieved.Key words: Data acquisition；USB2.0；CY7C68013；MAX125；Driver目 录1 USB的发展12 USB 总线概述22.1 系统硬件支持22.2 USB总线的物理连接和电气特性22.2.1 设备的连接和速度的检测32.2.2 USB 的电源32.3 USB数据流模型42.3.1 USB 总线拓扑结构42.3.2 USB通信流52.3.3 设备端
11、点72.3.4 管道72.3.5 帧和微帧82.4 USB数据传输类型92.4.1 批量传输92.4.2 控制传输102.4.4 同步传输122.5 USB总线信号环境132.5.1 NRZI 数据编码132.5.2 位填充142.5.3 同步头143 数据采集系统的硬件设计153.1 系统原理介绍153.2 数据采集系统的芯片选择163.2.1 USB芯片选择163.2.2 模数转换芯片的选择173.3 芯片性能介绍173.3.1 CY7C68013的性能特点173.3.2 CY7C68013 的枚举和重枚举193.3.3 A/D转换芯片MAX125 的介绍203.4 USB控制器电路设计2
12、13.5 A/D采样通道设计223.6 电源转换电路设计243.6.1 +5V电源设计243.6.2 -5V电源设计243.6.3 +3.3V电源设计253.7 EEPROM电路设计254 数据采集系统的固件程序设计274.1 固件开发环境274.2 固件程序的功能和架构274.2.1 固件的功能274.2.2 FX2 固件典型架构284.3 设备端点的配置314.3.1 端点缓冲区的分配314.3.2 端点寄存器的设置324.4 GPIF 接口的固件设计344.4.1 GPIF简介344.4.2 GPIF波形设计354.4.3 GPIF程序的生成374.5 数据采集程序设计374.6固件下载
13、395 设备驱动程序设计415.1 WDM 驱动程序415.2 设备驱动程序的组成425.2.1 驱动程序的入口例程435.2.2 创建设备445.2.3 IRP分发与处理例程445.3 USB 设备驱动程序的开发455.4 INF 文件476.1 Win32 程序接口496.1.1 启动USB 设备496.1.2 读取设备数据506.1.3 关闭USB 设备516.2 应用程序界面设计及其功能516.2.1 应用程序开发环境516.2.2 应用程序功能的实现527 结论与展望537.1 论文的结论537.2 展 望54参考文献55致 谢57附录58VI前 言 在工业生产和科学研究等行业中，常
14、常需要利用PC 或工控机对各种数据进行采集处理，如液位、温度和压力等。数据采集系统主要完成数据信息的采集、A/D 转换，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。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，比如工业控制中现场数据的采集设备；生物医学方面的电生理信号的采集系统；机场、商场等人流量大或比较重要的场所安装的监控设备；家庭影院、视频会议、可视电话等多媒体设备。数据采集卡同计算机外设一样，与主机的通讯接口一般是基于PC上的RS-232 总线、ISA总线、PCI总线或EPP/ECP等1。PCI总线虽然具有较高的传输速度（132Mbps），并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，而且由于PC机扩展槽一般为 56 个，因此最多也只能有 56 个PCI数据采集卡同时用在一台微机上；并且PCI插槽占用主板相当大的空间，这也不利于微机系统的小型化。对于ISA总线也存在同样的问题。RS232C串行总线虽然连结简单，但其传输速度慢（只有 56Kbps），并且主机的串口数目也十分有限。总之，采用这些传统接口的数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦；价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差2
