基于USB的数据采集卡方案设计书Word格式文档下载.docx

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班级

2009级1班

指导教师

段纯爽

四川师范大学成都学院

二○一三年三月

学生：

杜学成指导教师：

内容摘要：

本论文所设计的数据采集卡是在单片机AT89C5131控制下进行数据采集，主要核心部分是微控制器和USB控制器，通过两者结合实现上位机和下位机之间的USB通信，使用AT89C5131单片机采集到数据通过USB数据线传输给PC机，在从PC机上的USB数据采集界面，可显示出采集数据的波形图功能，最后实现数据采集功能。

在数据采集系统中，传统外接设备与主机通信口一般采用ISA、PCI、1394等标准，但是基于这些接口的产品，要不安装麻烦，要不就是价格昂贵，还受到计算机插槽数量和地址中断资源的限制，并且可扩展性差，但USB的出现很好地解决了以上所有问题。

作为一种新型串口通信标准，它不但具有较高的传输速率，而且可扩展性好、采用总线供电，因此使用起来更加灵活。

USB数据采集共有4种传输模式：

同步传输、控制传输、批量传输、中断传输，以此用来适应不同设备的需求。

同时信息技术与电子技术发展迅猛，也使得计算机和计算机外围设备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数据传输速度，而现在操作安装的简易性和纠错能力也成为人们关注的问题。

USB通讯技术出现后，使高传输速度、强纠错能力、易扩展性、即插即用等优点有机的结合在一起，使得USB数据采集发展前景更为广阔。

关键词：

数据采集USB接口控制器

DesignofdataacquisitioncardbasedonUSB

Abstract:

ThedataacquisitionsystemdesignedisunderthecontrolofSCMdataacquisitioninAT89C5131.ThemicrocontrollerandtheUSBcontrollerasthecorepart,implementationofUSBcommunicationbetweenuppermachineandlowermachinethroughthecombinationofthetwo,theretothedatalineviatheUSBdataistransmittedtothePCthroughtheAT89C5131collection.AndthedevelopmentofapplicationsonPC,fromtheUSBdataacquisitioninterfaceonPCmachine,candisplaythewaveformfunctionofdataacquisition,dataacquisitionfunction.

Indataacquisitionsystem,communicationhostandperipheralstraditionalmouthgenerallyusetheISA,PCI,1394standards,theseinterfaceproducts,basedontheinstallationoftrouble,thepriceisexpensive,andtheslotnumber,addressandinterruptresourcesconstraints,poorscalability,USB,isagoodsolutiontotheaboveproblem.USBisakindofserialcommunicationstandardmodel,thetransmissionrateishigh,goodscalability,thebuspowersupply,theuseofflexible.Ithasatotalof4transmissionmodes:

controltransfer,interrupttransfer,synchronoustransmission,masstransfer,inordertoadapttotheneedsofdifferentequipment.Therapiddevelopmentofinformationtechnologyandelectronictechnology,thecomputerandperipheralequipmenthasalsobeenrapiddevelopmentandapplication.Inthepastpeopleonlypursuethetransmissionspeedbetweencomputerandperipherals,simplicityofinstallationerrorcorrectionabilityandoperationnowhasbecomeoneofthefocusesofthetarget.USBcommunicationtechnology,thehightransmissionspeed,strongerrorcorrectionability,expansibility,easyplug-and-play,organicunifiesintogether,atthesametime,alsomakethedevelopmentofabroaderUSBdataacquisition.

Keywords:

DataacquisitionUSBinterfacecontroller

1USB简介

通用串行总线标准USB是1995年微软、康柏、DEC、IBM等公司为解决传统总线不足的问题而推出的一种新型通信标准。

该标准具有高带宽、安装方便、易扩展诸多优点，逐渐成为现代数据传输的主要手段。

基于USB数据采集卡充拥有USB总线的上述优点，有效优化解决传统数据采集卡的安装麻烦、扩展不便等弊端。

随着现代工业生产和现代科学研究对数据采集的要求日益提高。

许多地方都要求数据采集系统朝着便携化的方向发展，并且要求系统功耗低、体积小、使用方便灵活、传输速率快。

当前数据采集系统开发过程中考虑的主要问题有如下两点：

1，如何才能节省电能以使系统工作时间更长。

2，如何通信才能使得系统数据传输速度更快。

在我国国民经济和工业生产迅速发展，传统工业数据采集已经满足不了工业现代化的发展。

因我国工业现场数据的复杂性，所以数据的采集正在向网络化、智能化、集成化等方向发展。

传统的数据采集方式有许多种，比如并口采集数据、安装数据采集板卡、串口采集数据。

其最常用的方法是安装数据采集板卡，但它的缺点是安装麻烦，每次安装都需要关机后打开机箱才能插入板卡，受到计算机插槽数量、地址以及中断资源的限制，外接设备数量有限，此外机箱环境干扰可能导致通讯过程中产生中断。

随着计算机技术的高速发展，通用计算机外设接口有了明显改观，并口、串口等传统接口已不再使用，从而传统的数据采集方式已经过时，USB数据采集卡的时代已经到来。

在此也浅淡一下数据采集检测技术，数据采集监测技术已成为日益重要的检测技术，广泛应用于需要监控湿度、温度、压力等工农业中。

数据采集过程是工业控制等系统中的重要过程，通常主要采用一些功能独立的单片机系统来采集，是测控系统不可缺少的一部分，因为数据采集的性能特点直接影响到整个系统的稳定性。

在生产过程中这一系统可对现场的工艺参数进行监视、采集以及记录，从而提高产品质量，提供信息和手段，降低生产成本。

而在科学研究中应用该系统可以获得大量动态然后研究瞬间物理过程，也成为获取科学奥秘重要手段之一。

总之，无论在哪个领域，数据采集系统应用的越及时，工作效率就愈高，获得经济利益就愈大，这是毋庸置疑的。

USB数据采集卡是在实验的基础上结合单片机研发的课题，在实际应用中有着无法取代的地位，使数据采集技术上升了又一台阶。

此次论文的设计巩固了我对单片机的基础知识以及各门学科知识，由于设计所涉及到的知识面很广，就如对我的大学所学知识的一个整体回顾。

既然此论文是基于USB的，下面就让我们先来了解一下USB。

1.1USB的互连

一个USB系统主要被定义为三个部分：

●USB的互连；

●USB的设备；

●USB的主机。

USB互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面：

·

总线拓扑结构：

USB设备与主机之间各种连接方式；

内部层次的关系：

根据性能叠置，USB任务被分配到系统的每一个层次；

数据流模式：

描述数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式；

USB的调度：

USB提供一个共享的连接，可以使用的连接进行了调度以支持同步数据传输，并且避免了判别优先级。

1.2USB的主机

主机和设备都被划分成不同层次。

由图2-1可见主机上垂直的箭头是实际的信息流。

设备上的对应接口是基于不同实现的。

在主机与设备之间所有通信最终都是通过USB的电缆进行，然而，在上层水平层之间存在逻辑的主机-设备信息流。

主机上的客户软件以及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。

图1.1展示的是USB通信模型之间基本的信息流与互连关系。

图1.1通信模型层次关系图

1.2.1USB驱动（USBD）

USBD提供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。

这些操作组件只能通过USBD来访问USB。

USBD的具体实现是基于不同的操作系统。

一个USBD可以访问一个或多个HCD（主机控制器的驱动程序），而一个HCD可能与一个甚至多个主机控制器相连。

某些操作系统很可能允许对USBD的初始化进行一些设置。

从客户观点来看，通过客户进行通信的USBD管理着所有连接着的USB设备。

1.3USB设备

USB设备可被划分三层：

1）首先底层是传送和接收数据包的总线接口。

2）其次中间层处理总线接口与不同端点之间的数据路由端节点是数据的终结提供处或使用处，它可被看作数据源或数据接收端（Sink）。

3）最上层功能是由串行总线设备提供，比如鼠标或ISDN接口。

1.4USB的物理层

USB物理接口包括电气特性和机械特性。

USB主要通过四线电缆来传输信号与电源，如图1.2所示。

图1.2USB电缆定义

其中D+和D-是一对差模的信号线而VBus和GND则提供了5V的电源它可以给一些设备（包括Hub）供电当然要有一定的条件限制。

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。

这主要是由于信号衰减的限制，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。

所有的设备都有上行的接口，上行和下行的接头是不能互换的，这保证了不会有非法的连接出现。

插头与插座有两个系列分别为A和B系列，A用于基本固定的外围设备，而系列B用于经常拔插的设备，这两个系列是不能互换的。

本文设计的基于USB总线的数据采集系统