USB数据采集卡毕业设计.docx

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USB数据采集卡毕业设计

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毕业论文（设计）

题目名称：

USB数据采集卡

题目类型：

毕业设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

长江大学毕业设计（论文）任务书

学院（系）电子信息学院专业仪器系班级：

仪器10702

学生姓名彭璐指导老师职称魏勇（讲师）

1毕业设计（论文）题目

USB数据采集卡的设计

2毕业设计（论文）起止时间：

2011年02月21日-2011年6月10日

3毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导老师选定部分）

（1）网站上查找USB数据采集卡方面的资料

（2）网站上了解CY68013的有关资料

4毕业设计（论文）应完成的主要内容

1、利用PROTELDXP软件设计USB数据采集卡的PCB板（重点）。

2、毕业论文上必须包含如下内容：

中英文摘要、研制目的及意义、

方案选择、基本原理介绍、硬件电路图、硬件电路分析、软件流程图、软件原理介绍、性能分析、结束语、源程序清单。

5毕业设计（论文）的目标及具体要求

设计目标：

利用PROTELDXP软件设计USB数据采集卡的PCB板，具体要求如下：

1、双层PCB板，双面敷铜，布线符合电气规范。

2、该数据采集卡中的USB芯片不仅能够工作在USB主模式下，而且能够工作在从模式下。

3、扩展部分：

在设计完成PCB板的基础上，焊接并调试好电路板。

该部分可分为：

单片机程序设计、计算机驱动程序设计、计算机应用程序设计等多方面的工作。

6毕业设计（论文）所需的条件及上机时数

所需的条件：

微型计算机一台

USB单片机开发板一套

有关电子元器件

万能板及少量导线

上机时数：

（2小时）*（60天）=120小时

任务书批准日期2011年01月13日教研室（系）主任（签字）

任务书下达日期2011年01月13日指导老师（签字）

完成任务日期2010年6月10日学生（签字）

长江大学

毕业设计开题报告

题目名称USB数据采集卡

院（系）电子信息学院

专业班级测控技术与仪器10702班

学生姓名彭璐

指导教师魏勇

辅导教师魏勇

开题报告日期2011年03月19日

USB数据采集卡

学生：

彭璐仪器10702班

指导老师：

魏勇电子信息学院

一题目来源

科研项目

二研究目的及意义

随着数字化的广泛应用，数据采集也越来越重要，传统的外设与主机的通信口一般采用ISA、PCI、CPCI、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、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。

过去人们单纯最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，使得高传输速度、纠错能力、易扩展性、方便的即插即用，有机结合在一起。

USB设备需要依据USB协议进行数据的解包与打包，低层硬件设备与操作系统之间需要以驱动程序为桥梁，驱动程序以WDW为模型，以DDK为开放工具，以IRP为消息传播载体，来实现与Windows系统底层核心相交互的功能。

三阅读的主要参考文献及资料名称

[1]张宏，USB接口设计[M]，西安：

西安电子科技大学出版社，2002

[2]汪惊奇，周功业等，基于 USB接口的便携式数据采集系统的实现[M]，微型机与应用[M]，2002年第8期.

[3]马伟，计算机USB系统原理及其主从机设计[M].北京：

航空航天大学出版社，2004.

[4]CypressSemiconductorCorporation.CY7C68013EZ-USBFX2USB四国内外现状和发展趋势及研究主攻方向

（1）高速

随着科技的发展以及CPU的进步，计算机处理数据的速度越来越快，作为数据出入途径的IO接口一定不能成为瓶颈，所以计算机接口及数据总线的数据吞吐量增长飞速。

这一点在计算机主板南北桥之间通信总线的更替就很明显地体现出来：

先前的PCI总线只有133MBs的数据传输率，而最近出现的8XV-link总线则达到533MBs.

（2）串行

通讯速率的提高使得并行接口和连接线不堪重负，并行信号的串扰成了提升速度的桎梏，接口的通信频率也不能无线提升，而串口提升信号传输频率的潜力却要大的多，于是形成一个很有趣的局面，就好像8条马路通过汽车还没有1条快。

最近出现的串行ATA硬盘实际上就是一个预兆，如果并行的串扰不能得到有效解决，将来高速数据传输的主流可能就会是串行通信了。

（3）通用，可扩展

计算机功能越来越强大，外设也越来越多。

串口，并口，IEEE1394口，键盘口，鼠标口，让人眼花缭乱。

接口的通用性和可扩展性成为一种趋势。

这样可以使用户方便地使用多种外设又不至于被各种各样的接口搞的糊涂，还可以同时使用几个甚至十几个设备。

五主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路

（1）主要研究内容

通过USB2.0协议将高速的数据采集和即插即用的特性有效的结合起来。

（2）需重点研究的关键问题

计算机处理的对象是数据，反映客观问题的还是数据。

高性能的数据采集卡使计算机的功能变得更强大

数据采集主要有两个方面的因素：

（1）高精度

这是数据采集系统最基本的要求，错误的或者误差过大的数据没有任何使用价值。

但这个方面需要考虑的因素也最多，不但芯片的信噪比要高，对模拟电路的设计，PCB制版等也有很严格的要求，这是高速数据采集最困难的地方。

（2）高速度

科技越来越发达，时间的概念越来越小。

也许你需要测量一个微粒的速度，也许你需要检测一个频率非常高的信号，你就一定需要一个速度足够高的采样器。

1M的采样率不够吗？

不，很可能你需要1G。

（3）解决思路

首先，实现USB2.0通讯协议接口，测试最高的数据传输率；其实实现高速AD采样电路，使其正常工作保证一定的精度。

六毕业设计所具备的条件

微型计算机一台USB单片机开发板一套

有关电子器件万能板及少量导线

七进度安排

4周—6周、查找资料

7周—10周、熟悉系统及开发环境

10周—12周、熟悉硬件及焊接

13周—14周、程序设计

15周—16周、系统调试及完善

17周—18周、毕业设计及答辩

八指导教师审查意见

指导教师签名：

年月日

长江大学毕业论文（设计）指导教师评审意见

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

指导教师

职称

评审日期

评审参考内容：

毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。

学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评审意见：

指导教师签名：

评定成绩（百分制）：

_______分

（注：

此页不够，请转反面）

长江大学毕业论文（设计）评阅教师评语

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

评阅教师

职称

评阅日期

评阅参考内容：

毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。

学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评语：

评阅教师签名：

评定成绩（百分制）：

_______分

（注：

此页不够，请转反面）

长江大学毕业论文（设计）答辩会议记录

学生姓名

专业班级

毕业论文

（设计）题目

答辩时间

年月日～时

答辩地点

一、答辩小组组成

答辩小组组长：

成员：

二、答辩记录摘要

答辩小组提问（分条摘要列举）

学生回答情况评判

三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：

_______分

毕业论文（设计）最终成绩评定（依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文（设计）评分的相关规定）

等级（五级制）：

_______

答辩小组组长（签名）：

秘书（签名）：

年月日

院（系）答辩委员会主任（签名）：

院（系）（盖章）

USB数据采集卡的设计

学生：

彭璐，电子信息学院（仪器系）

指导教师：

魏勇，电子信息学院

[摘要]现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益增高，在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要通行高速数据采集，现在通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡或是ISA卡，存在以下缺点：

安装麻烦、价格昂贵：

受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差：

在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。

　通用串行总线是1995年康柏、微软、IBM、DEC等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。

该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展的优点。

于是笔者以数据采集卡的微控制器CYPRESS公司的CY7C68013的EZ-USBFX2控制芯片来设计高速的USB2.0数据采集卡。

本论文介绍了一个采用USB2.0高速串行传输协议的高速数据采集系统，详细描述了数据传输部分和数字采样部分的设计过程、参考电路及相关程序设计，并对该系统进行了综合测试。

该系统的数据传输部分采用EZ-USBFX2芯片以块传输模式实现了12Mbps的到主机的实际数据传输率，与模拟-数字采样部分的接口速率则达到48bps。

模拟-数字采样部分采用AD9058芯片。

该系统还可以对采得的数据进行离散分布和连续波形的分析。

关键字：

USB2.0通用串行总线FX2高速数据采集

DesignofUSBDataAcquisitionCard

Student:

PengLu,ObserVationandcontroltechnologyandinstrument

SuperVisor:

WeiYong,SchoolofElectronicInformation

[Abstract]Withthedemondofmodernindustrialproductionandscientificresearchondataacquisitionisincreasing,Soisneededtoaccessinthetransientsignalmeasurement,imageprocessingandsomeothermeasurement,nowadaystheuniVersalcardisaPCIcardorISAcard,butthesecards’teconomical:

berestrictedbythenumberofslot、theresourcesoftheaVailableaddressesandinterruptions,poorexpansibility:

Insometestsitesalongwithstrongelectromagneticinterference,it’simpossibleforustodosomespecialelectromagneticshieldingforthemwhcihcanresultincollectionofdatatdostorion.

UniVersalSerialBusasanewcommunicationstandardwhichisraisedbyComaq,Micorsoft,IBM,DECandothercompaniestogethertosolVetheproblemsofthelackofthetraditionbus.ThisbusinterfacetousetheCY7C68013’smicrocontrollerchipEZ-USBFX2whichbelongstocompanyofCPRESStodesignthisCard.

ThispaperdescribesaHighSpeedDataAcquisitionSystemwithUSB2.0processofthissystem,includingboththeprocessa8bits,48MratedigitalsamplingwithAD9058andsupport24Manalogbandwidth.ThissystemcanalsoanalyzethediscretedistributionorcontinuouswaVeformofthedata.

[Keywords]USB2.0UniVersalSerialBusFX2HighSpeedDataAcquisition

1前言

1.1目的

（1）了解CY7C68013的基本原理及应用，熟悉其关键参数。

（2）熟悉PROTELDXP软件的开发环境，并利用其设计出USB数据采集卡的PCB板。

1.2意义

在工业生产与科学研究中，经常需要通过计算机对一些模拟量进行采集、如温度、压力、深度、酸碱度等等。

基于目前最长使用的采集方式是AD数据采集卡。

这种采集卡在前面已经介绍过其缺点很多同时也很致命。

而传统的外设与主机的通讯接口一般是基于PCI总线、ISA总线或是RS-232C串行总线。

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，且扩展槽有限（一般为5～6个），ISA总线显然存在同样的问题，RS-232C串行总线虽然连接简单，但其传输速度慢（56Kbps），且主机串口数也有限，这将会浪费我们宝贵的工作时间降低生产工作效率的同时还浪费劳动资源，而我们现在设计的基于EX-USBFX2设计的数据采集卡可以从分利用USB总线上的优势（安装方便、高带宽、易扩展），有效的解决了传统数据采集系统的缺陷。

同时它能够针对不同的使用人群提供性价比不一的不同选择，从而给用户带来极大的方便

1.3范围

VirologyHDL是目前应用最为广泛的硬件描述语言，为了制作数字电路而用来描述ASICs和FPGA的设计之用。

它可以用来进行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。

VirologyHDL适合算法级，寄存器级，逻辑级，门级和版图级等各个层次的设计和描述。

FPGA现场可编程门阵列是一种大规模可编程的数字集成电路。

FPGA的基本特点主要有：

　　1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

　　2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

　　3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。

4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

2选题背景

2.1课题来源、目的和意义

不能课题来源于科研项目。

目的与意义：

随着数字化的广泛应用，数据采集也越来越重要，传统的外设与主机的通信口一般采用ISA、PCI、CPCI、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、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。

过去人们单纯最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，使得高传输速度、纠错能力、易扩展性、方便的即插即用，有机结合在一起。

USB设备需要依据USB协议进行数据的解包与打包，低层硬件设备与操作系统之间需要以驱动程序为桥梁，驱动程序以WDW为模型，以DDK为开放工具，以IRP为消息传播载体，来实现与Windows系统底层核心相交互的功能。

2.2课题研究内容和关键技术

课题研究内容:

通过USB2.0协议将高速的数据采集卡和即插即用的特性有效的结合起来。

课题关键技术：

计算机处理的对象是数据，反映客观问题的还是数据。

高性能的数据采集卡使计算机的功能变得更加强大：

（1）高精度

这是数据采集系统最基本的要求，错误的或者误差过大的数据没有任何使用价值。

但这个方面需要考虑的因素也最多，不但芯片的信噪比要高，对模拟电路的设计，PCB制版等也有很严格的要求，这是高速数据采集最困难的地方。

（2）高速度

科技越来越发达，时间的概念越来越小。

也许你需要测量一个微粒的速度，也许你需要检测一个频率非常高的信号，你就一定需要一个速度足够高的采样器。

（3）解决思路

首先，实现USB2.0通讯协议接口，测试最高的数据传输率；其实实现高速AD采样电路，使其正常工作保证一定的精度。

2.3国内外研究现状与发展趋势

（1）高速

随着科技的发展以及CPU的进步，计算机处理数据的速度越来越快，作为数据出入途径的IO接口一定不能成为瓶颈，所以计算机接口及数据总线的数据吞吐量增长飞速。

这一点在计算机主板南北桥之间通信总线的更替就很明显地体现出来：

先前的PCI总线只有133MBs的数据传输率，而最近出现的8XV-link总线则达到533MBs.

（2）串行

通讯速率的提高使得并行接口和连接线不堪重负，并行信号的串扰成了提升速度的桎梏，接口的通信频率也不能无线提升，而串口提升信号传输频率的潜力却要大的多，于是形成一个很有趣的局面，就好像8条马路通过汽车还没有1条快。

最近出现的串行ATA硬盘实际上就是一个预兆，如果并行的串扰不能得到有效解决，将来高速数据传输的主流可能就会是串行通信了。

（3）通用，可扩展

计算机功能越来越强大，外设也越来越多。

串口，并口，IEEE1394口，键盘口，鼠标口，让人眼花缭乱。

接口的通用性和可扩展性成为一种趋势。

这样可以使用户方便地使用多种外设又不至于被各种各样的接口搞的糊涂，还可以同时使用几个甚至十几个设备。

3方案论证

3.1系统工作原理

通用串行总线适用于净USB外围设备连接到主机上，通过PCI总线与PC内部的系统总线连接，实现数据传送。

同时USB又是一种通信协议，支持主系统与其外设之间的数据传送。

USB器件支持热插拔，可以即插即用。

USB1.1支持两种传输速度，既低速1.5Mbps和高速12Mbps，在USB2.0中其速度提高到40Mbps。

USB具有四种传输方式，既控制方式（Controlmode）、中断传输方式（Interruptmode）、批量传输方式（Bulkmode）和等时传输方式（Iochronousmode）。

考虑到USB传输速度较高，如果用只实现USB接口的芯片外加普通控制器（如8051），其处理速度就会很慢而达不到USB传输的要求；如果采用高速微处理器（如DSP），虽然满足了USB传输速率，但成本较高。

所以选择了TI公司内置USB接口的微控制器芯片TUSB3210，开发了具有USB接口的高速数据采集卡。

3.2系统原理图

系统原理图如图1所示：

图？

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3.3系统设计基本思想

在图1中，前端的信号调理电路主要用于实现对模拟输入信号的调幅、滤波和增加输入阻抗的措施来获取预期有效信号一级保护后端AD转换芯片。

模数转换电路采用TI公司的8位高速度模数转换器TLC5510。

FPGA控制电路，主要用于实现对模数转换和CY7C68013（简称FX2）的控制以及对接受数据的缓存处理：

SDRAM存储电路和配置电路主要完成采集到数据存储和存放FPGA的配置信息，上电时将程序加载到FPGA中。

USB数据传输电路完成数据和控制信息的传输。

上位机软件采用MFC编写，主要实现数据的显示和对设备的检测控制。

电源及复位电路为整个系统提供工作电压和系统的初始化。

FPGA控制ADC进行连续采样，并将数据送到FIFO数据缓存中，当采集到一定量的数据后，FX2采用SlaveFIFO方式将数据传送给PC端进行显示、控制等相关处理。

3.4系统总体设计方案论证

在系统设计实现过程中考虑过两种方案区别就在于使用DSP还是FPGA连接USB接口和控制SDRAM实现同步或异步数字接口表1对两种实现做性能

比较如表1：

表1FPAG方案和DSP+FPGA方案性能比较

FPGA方案

DPS+FPGA方案

SDRAM控制

Sdram控制器IP核

自带sdram控制器

同步异步借口

同步异步IP核

EMIF

成本

低

高

码率控制

状态机+内部可配置FIFO

中断+FPGA可配置FIFO

电源

USB供电

外部电源模块

本文实现了基于FPGA方案，对比DPS方案有如下缺点：

●SDRAM控制器IP核的实现有一定难度。

针对所选FPGA，使用Venilog开发相应的SDRAM控制器代码，并生成相应状态机，完成数据调度过程。

而在DSP方案中，我们只需要关心行为级操作，即用C代码实现。

●针对不同的数字接口，需要开发相应的接口模块。

DSP本身除带有强大的EMIF口之外，还带有PCI等数字接口，可以方便的挂接在相应的总线上，节省开发周期。

对比DSP方案的优点：

●两种方案由于都使用USB接口技术，