基于USB接口的数据采集卡的设计论文(硬件部分)

南昌工程学院本科毕业设计（论文） 南 昌 工 程 学 院 毕毕 业业 设设 计计 (论论 文文) 信息工程学院系（院）电子信息工程专业 毕业设计（论文）题目基于 USB 接口的数据采集卡的设计（硬件） 学生姓名杨 宏 华 班级06 电子信息工程（1）班 学号2006100126 指导教师 完成日期2010 年6月19日 南昌工程学院本科毕业设计（论文） 基于基于 USB 接口的数据采集卡的设计（硬件）接口的数据采集卡的设计（硬件） The data acquisition card based on USB interface (hardware) 总计毕业设计（论文）30页 表格0个 插图15幅 南昌工程学院本科毕业设计论文 I 摘要 随着科技的发展和社会各个行业对点子设备集成化的需求，越来越多的电子设备将直 接与计算机通信，与计算机系统融为一体，以实现各种实时的只能控制与监测。列如在瞬 态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要进行高速数据采集。但是现在 通用的高速数据采集卡一般多是 PCI 卡或 ISA 卡，存在安装麻烦，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等缺点。 因此通用串行总线 USB 是为解决传统 总线不足的首选。该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，已逐渐成为现代 数据传输的发展趋势。随着 USB 技术的成熟，USB 传输已经上升到 3.0 协议，最大速度已 经达到每秒 4.8Gb，跟其他接口设备的传输速度相比好不逊色。基于 USB 的高速数据 采集卡充分利用 USB 总线的上述优点， 有效解决了传统高速数据采集卡的缺陷。 在本次设计中使用 PUIUSBD12 USB 接口芯片，选择 ADC0809 芯片作为模数转换器， 使用 AT89S52 单片机作为控制器。为了 USB 接口设计调试时方便，加上了 RS232 串行接 口，用来监测 PC 机与数据采集卡之间的通信过程。 关键词关键词:USB 接口、数据采集卡、PUIUSBD12、模数转换器 Abstract II Abstract With technological development and social sectors to all other devices, more and more compositive demand of electronic devices communicate directly with computers and computer system to the implementation of real-time can only control and monitoring. the column as in a transient signal measure, image processing some high speed, high precision measurement of data collection. the need for rapid. But now common data collection of cards are usually ISA and PCI card or present the installation of trouble, and expensive, is computer slot number, address and interrupt resource constraints, scalability and electromagnetic interference in the nature of the test site, not special to do the electromagnetic shielding and to collect data such shortcomings. the general level of the serial bus USB is traditional for the first bus limited. Interfaces have the installation of the bus conveniently, high bandwidth and expand the advantages and has gradually become the trend of modern data transmission. the USB technology,USB transport has increased by 3.0 protocol, the maximum rate has reached 4.8GB per second, the interface device speed, no less than good. based on the USB of data collection card full use of USB strengths of the bus, the effective solution to the traditional high data collection of defects. In this design uses PUIUSBD12 USB interfaces, select ADC0809 chips as the module, for use as a controller AT89S52 monolithic integrated circuits design usb interfaces. in order to debug, and with RS232 serial interface to monitor the pc and data gathering card communication process. Key words: Usb interfaces； data acquisition； PUIUSBD12； ADC 南昌工程学院本科毕业设计(论文) I 目录 摘要. I Abstract II 第一章 引言.1 1.1 当今国内数据采集卡的研究现状错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1.1.1数据采集卡的用途.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1.1.2数据采集卡的实现形式.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1.3 课题来源. 2 1.4研究思路和技术方法2 第二章 USB 数据采集卡系统构架.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.1 USB 数据采集卡的硬件结构.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2 USB 数据采集卡固件程序流程.4 第三章 电源管理 6 第四章 模数转换 7 4.1 数据采样.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2 模数转换的方法与步骤.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.3ADC0809 模数转换器.9 4.3.1 ADC0809 概述.9 4.3.2 ADC0809 的工作过程.10 4.3.3ADC0809 模数转换电路.11 第五章 USB 接口设计12 5.1 芯片选择.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2 USB 接口电路14 第六章 USB 数据采集卡调试.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 目录 II 6.1 RS232 通信接口错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.2 数据采集与模数转换调试 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.3 USB 接口通信调试.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结语错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献错误！未定义书签。错误！未定义书签。 附录错误！未定义书签。错误！未定义书签。 作品图片展示错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢错误！未定义书签。错误！未定义书签。 南昌工程学院本科毕业设计（论文） 1 第一章 引言 1.1 当今国内数据采集卡的研究现状当今国内数据采集卡的研究现状 1.1.1数据采集卡的用途 在这个信息化的世界了，我们无时无刻不在跟数据打交道，但是要将这个世界的模拟 信号转化为数字信号，自然少不了数据采集卡，可以把它看成是实体与虚拟的连接线。不 管是在工业生产还是日常生活中，都离不开数据的采集。例如工业产品生产中需要对某一 项参数进行监测，生活中对温度，适度，风速等的测量，视频音频数据的采集，数字化的 测量仪器都拥有数据采集卡部分，到处都是数据采集卡应用的例子。可以看出数据采集卡 的应用在当今世界中已经相当普遍，只是形式多种多样。 1.1.2数据采集卡的实现形式 现代数据采集卡的实现形式多种多样，主要根据其系统结构与应用方向来区分，有如 下几种： 1、基于 DSP 的数据采集卡 这种数据采集卡在数据处理方面有极其优异的性能，使用 PCI 总线跟 PC 通信，但是 价格比较昂贵，安装比较麻烦。 2、无线数据采集卡 这种数据采集卡一般应用在一个需要大范围多点采集数据的系统中，如分布式数据采 集。该数据采集卡在分布式少量数据采集的应用中很有用处，但是其传输速度较低，不适 用于在需要数据高速传输的应用中。 3、RS232 数据采集卡 这种数据采集卡实现方法简单， 不需要编写 PC 机端的驱动程序， 硬件结构也相对简单， 接口技术也相当成熟，但是传输速度很低，不使用于需要数据高速传输的应用中。 4、以太网数据采集卡 这种数据采集卡使用于远距离数据采集的应用中，工程造价较高，工作性能与传输速 度受环境影响较大。 5、USB 数据采集卡 这种数据采集卡的安装很方便，即插即用，在现场数据采集应用的性价比较高，原因 是其使用 USB 串行总线接口，随着 USB 版本的提升已经有了很客观的传输速度，应该成 第一章 引言 2 为今后非远距离数据采集的首选。 1.3 课题来源课题来源 随着电子设备的多功能化与智能化，信息的处理越来越复杂，海量数据传输与存储的 需求越来越多，致使越来越多的设备将与计算机系统相连。在传统的实现方法中，我们采 用 PCI 接口、RS232 等接口方式跟计算机相连，但是如今面越来越多对高速海量的数据采 集与传输的需求，以上的实现方法已经无法使用与需求，于是市场中出现了另一种实现形 式的数据采集卡，即 USB 数据采集卡。如今市场上已经有许多基于 USB1.1 或 USB2.0 的 数据采集卡，它们的出现给之前面临的困难带来新的解决方案。但是如今市场上的 USB 数据采集卡功能还不能设计到社会活动的方方面面，再加上 USB 3.0 的逐渐成熟，各种基 于 USB 3.0 协议的设备也将相继出现，基于 USB 的数据采集卡还有非常广阔的发展空间。 因此开发基于 USB 的数据采集卡将会有重大的现实意义。 1.4 研究思路和技术方法研究思路和技术方法 本设计采用 PUIUSBD12芯片作为USB 接口芯片， 使用 AT89S52单片机做为主空芯片， 控制 ADC0809 模数转换芯片对信号进行采集与转换。在 PC 上安装应用与驱动程序后，用 户可以通过应用程序来获取模数转换器转换的数据，并且在用户界面上以一定的形式显示 出来。具体交互过程如图 1.1。 PC 应 用 程 序 驱 动 模数 转换 器 单 片 机 USB 接 口 芯 片 USB 数据采 集卡 图 1.1 系统交互过程图 系统交互过程如下： 1、用户通过应用界面发出获取数据请求的信息到 USB 数据采集卡驱动层。 2、驱动程序将请求发给已经连接在计算机上的 USB 数据采集卡。 3、USB 数据采集卡中的 USB 接口芯片接受到请求后，将 USB 电平数据转换成 TTL 电平 数据发给单片机。 南昌工程学院本科毕业设计（论文） 3 4、单片机接收到请求之后，将触发单片机的 USB 数据采集卡固件，调用模数转换器控制 程序，获取相应通道的信号数据值。 5、 单片机获取到需要的数据后传输给 USB 接口芯片相应的寄存器， 由 USB 接口芯片负责 传输给 USB 数据采集卡驱动层。 6、USB 数据采集接收到返回数据后将传送给 USB 数据采集卡客户端应用程序。 7、客户端应用程序获得数据后将在界面中以一定的形式显示出来。 通过以上步骤，USB 数据采集卡采集数据的过程就完成了。 第二章USB 数据采集卡系统构架 第二章 USB 数据采集卡系统框架 4 2.1 USB 数据采集卡的硬件结构数据采集卡的硬件结构 USB 数据采集卡的系统构架如图 2.1。 单片机(mcu) 模数转换器 USB接口芯片 PC软件 协议 接口 图 2.1 系统构架图 其中，模数转换器使用的是 ADC0809 芯片，可以实现多通道模数转换；单片机选用的是 AT89S52 单片机，其拥有 8K 的 ROM 存储器，有足够的空间来存储 USB 数据采集卡的固 件程序； USB 接口芯片选用的是 PUIUSBD12,该芯片的性能很好， 且硬件处理了 USB 协议 底层的工作。具体电路请见以下章节模块说明部分。 2.2 USB 数据采集卡固件程序流程数据采集卡固件程序流程 南昌工程学院本科毕业设计（论文） 5 USB 数据采集卡固件程序流程如图 2.2。 开始 其他 USB 事务处理 硬件初始化 等待USB请求 是否为数据采集请求 调用模数转换程序 调用 USB 接口芯片写程序 是 否 图 2.2 固件流程图 固件具体流程说明如下： 1、USB 数据采集卡上电后将对所有硬件进行初始化，包括初始化 I/0,串口，USB 接口芯 片。 2、USB 固件进入主循环，等待 USB 请求。 3、当 USB 请求到来是， 通过得到的数据可以知道是什么请求， 然后根据请求的类型处理。 在 USB 刚刚连接到计算机上的 USB 总线上时，USB 将开始跟计算机建立通信，此时， 需要处理许多与数据采集请求无关的的请求，如获取设备描述符请求，获取配置描述 符请求等等跟 USB 连接非常重要的事务。当 USB 数据采集卡正确连接到计算机上后， 固件监测到到来的请求是数据采集请求时，将调用模数转换程序。 4、模数转换程序将操作模数转换芯片，对检测的信号进行模数转换，并且保存到 RAM 缓 冲区中。 5、固件将调用 USB 接口芯片控制程序， 使接口芯片将数据返回给计算机 USB 总线。 然后 再次进入步骤 2。 第三章 电源管理 6 第三章 电源管理 USB 接口支持总线供电功能，最大可以提供 5V，500mA 的供电需求，因此无需外接 电源。但是在一些功率需求较大设备中，如果 USB 总线供电无法满足设备的功率需求，则 需要外接电源。本次设计的设备所需功率很低，完全可以使用 USB 总线供电，但是在配置 描述符的配置方面会有以下要求。 如果需要 USB 总线供电，配置描述符应参考如图 3.1。 图 3.1 配置描述符 上图为本次设计中使用的配置描述符，其中最后一行为 USB 总线供电参数的配置，以 2mA 为单位，列如 0Xc8 的十进制值为 200，表示希望从总线获得最大电流为 400mA 的供 电，如果该处值为 0，则表示设备不需要 USB 总线供电，采用外接电源。 电源电路连接如图 3.2。 图 3.2 电源连接图 南昌工程学院本科毕业设计（论文） 7 第四章模数转换 4.1 数据采样数据采样 在模数转换之前，必须 执行数据采样的过程，根据采样定理：在进行模拟/数字信号 的转换过程中，当采样频率 fs.max 大于信号中，最高频率 fmax 的 2 倍时，即： fs.max=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应 用中保证采样频率为信号最高频率的 510 倍；采样定理又称奈奎斯特定理。因此 USB 数据采集卡的输入信号的频率不能大于模数转换器采样频率的 1/2。在此设计中 采样 ADC0809 作为模数转换器，当输入时钟信号为 500khz 时，其输入信号频率不得 大于 10khz。 在一些应用中，尽管输入的信号频率很高，但只需要采集某一些特定时间点的数 据，这时候采用低速的模数转换器加上采样保持器既可满足这种需求。我们经常使用 LF198、LF298 及 LF398 作为采样保持器，其电路示例如图 4.1。 图 4.1 采样保持器电路 4.2 模数转换的方法与步骤模数转换的方法与步骤 在众多的模数的模数转换芯片的设计中，他们模数转换方法不尽相同。例如计数比较 型、逐次逼近型、双积分型等等。 比较型 A/D 转换器原理： 并行比较型 A/D 转换器由电阻分压器、电压比较器、寄存器及优先编码器组成。 第四章 模数转换 8 在并行 A/D 转换器中，输入电压 vi 同时加到所有比较器的输入端，从 vi 加入，到稳 定输出数字量，所经历的时间为比较器、D 触发器和编码器延迟时间的总和。如果不考虑 各器件的延迟，可以输出数字量是与 v1 输入时刻同时获得的。所以，并行 A/D 转换器具 有最短的转换时间。但也可以看到，随着分辨率的提高，元件数目几乎按几何级数增加， 一个 n 为的转换器，所用 2 的 n 次方减 1 个比较器和触发器。随着位数的增加，电路复杂 程度急剧增加。集成分辨率很高的并行 A/D 转换器，对集成电路工艺指标要求更高。 逐次逼近型 A/D 转换器原理： 逐次逼近法 A/D 转换器是一种速度较快、精度较高的 A/D 转换器，它是通过最高位 DN1 至最低位 D0 的逐次检测来逼近被转换的输入电压。 其转换原理如下： 在启动信号控制下置数控制逻辑电路置 N 位寄存器最高位 DN-1 为 l，其余位清 0， N 位寄存器的内容经 D/A 转换后得到整个量程半的模拟电压 Vn，与输入电压 Vx 比 较。 若 VxVn 时，则保留 DN-1=1， 若 Vx99%)的全扫描设计确保了高品质。 双电源操作 3.30.3V 或扩展的 5V 电源,范围为 3.65.5V。 多中断模式实现批量和同步传输。 通过以上两种芯片性能参数上的比较，选出了一款便于开发，性价比高，又能满足开 发要求的芯片。最后我们选择了 PUIUSBD12 作为本次设计的 USB 接口芯片。该芯片性价 比很高，完全满足本次设计要求，并且网络上有可以找到较丰富的参考资料，有利于快速 地开发设备。 5.2 USB 接口电路接口电路 PUIUSBD12 芯片所需的外围器件非常少，只要接晶振，和用于通信指示的发光二极管 即可，其电路如图 5.1。 图 5.1 USB 接口电路 PUIUSBD12 芯片使用 6Mhz 的晶振， 再使用内部的 PLL 倍频电路可以将时钟信号提高 南昌工程学院本科毕业设计（论文） 15 到 48Mhz，节约电路的成本并且提高了稳定性。GL_N 引脚提供了一个友好的状态指示信 号，低电平有效。在枚举中 LED 指示根据通信的状况间歇闪烁，当 PDIUSBD12 成功地 枚举和配置后，LED 指示将一直点亮，随后与 PDIUSBD12 之间成功的传输（带应答）将 关闭 LED，处于挂起状态时 LED 将会关闭。该特性为 USB 器件集线器和 USB 通信状态 提供了用户友好的指示，作为一个诊断工具它对隔离故障的设备是很有用的，该特性降低 了现场支持和热线的成本。晶振与 goodlink 电路如图 5.2。 图 5.2 晶振与 goodlink 电路 南昌工程学院本科毕业设计（论文） 15 第六章 USB 数据采集卡调试 6.1 RS232 通信接口通信接口 在本次设计中，RS232 通信接口发挥着至关重要的做用，它就像我们植入程序中的摄 像机一样，可以把 PC 与 USB 数据采集卡之间数据交互的过程完全地体现出来，即将相应 的信息通过串口在 PC 的超级终端中显示出来。 在工程当中经常会用到 232 口，一般是圆头 8 针与 D 型 9 针两种串口。在一定的 条件下，必须要自己制作一个相应的“圆头或者是 D 型的“232 串口。 RS232C 串口通信接线方法（三线制） 首先，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接 收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连 同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连对 9 针串口和 25 针串口，均是 2 与 3 直接相连； 两个不同串口（不论是同一台计算机的两个串口或分别是不同计算机的串口） DB9-DB9 2-3,3-2,5-5 DB25-DB25 2-3,3-2,7-7 DB9-DB25 2-3,3-2,5-7 上面是对微机标准串行口而言的，还有许多非标准设备，如接收 GPS 数据或电 子罗盘数据，只要记住一个原则：接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相 连，彼此交叉，信号地对应相接。 8 针圆形串口接线：2“逻辑地“，4“TXD“,7“RXD“。 9 针 D 型串口：2“RXD“，3”TXD“，5“逻辑地“。 本次使用的是 9 针的 D 型串口，其电平转换与接口电路如图 6.1。 第六章 USB 数据采集卡调试 16 图 6.1 RS232 接口电路 6.2 数据采集与模数转换调试数据采集与模数转换调试 RS232 串行接口除了有上述的要来观察 USB 数据采集卡与主机之间的交互过程之外， 在 USB 连接建立之前，我们可以用串口来对 ADC0809 程序进行调试，把 ADC0809 的转 换结果通过串口在 PC 的超级终端上显示出来，分析数据的正确性。 图 6.2 为使用 RS232 接口及超级终端对 ADC0809 调试的的画面： 图 6.2 ADC0809 调试 我们可以通过改变不同通道上接的电压，看转换的数据是否也做相应的变化，通过对 以上数据进行计算分析，我们的结果是正确的。 南昌工程学院本科毕业设计（论文） 17 6.3 USB 接口通信调试接口通信调试 要实现 USB 接口的正确通信，不但要保证硬件电路上的正确性，而且要保证程序处理 的正确性。在硬件方面，我们通过 goodlink 引脚的状态来，到 PC 与 USB 数据采集卡通信 时，跟 goodlink 引脚相连的 LED 发光二极管将会闪烁，如果 PC 与 USB 数据采集卡无法 通信，LED 发光二极管将一直保持熄灭状态，这时候的错误可能出现在硬件这一块。在实 物中 USB 正常通信时 LED 发光情况如图 6.3。 图 6.3 USB 接口调试实物图 第六章 USB 数据采集卡调试 18 固件程序调试这一块，我们使用了 RS232 接口来监测 PC 机与 USB 数据采集卡之间的 交互过程， 我们可以通过 PC 的超级终端来观察 PC 与 USB 数据采集卡交互所执行的操作， 并分析它们的合法性。调试中 PC 与 USB 数据采集卡之间的交互过程如图 6.4。 图 6.4 PC 与 USB 数据采集卡交互过程图 南昌工程学院本科毕业设计（论文） 19 结语 本课题对对基于 USB 接口的数据采集卡的实现进行了研究。 随着信息科学的不断发展， 许 多设备都将成为 PC 的外围设备，面对未来对采集卡的速度、适用性、安装便利性越来越 高的要求，它为数据采集卡的设计提供一套新的解决方案。特别是随着 USB3.0 时代的到 来，它的传输速度达到了一个新的顶峰，它传输速度之高，安装使用之便利，都吸引着越 来月多的研究者，我们相信 USB 设备将迎来它的一个新时代。因此，基于 USB 接口的数 据采集卡的研究具有很现实的重大意义。本次设计使用的器件有很高的性价比，整体方案 造价很低，在功能上可以在客户的应用程序上体现出它的多样性，可以对 ADC0809 的五 个通道进行采用，在面对高频率的输入信号，设计中预留了数据采样保持器的控制引脚， 可以很方便地对高频信号进行定点采样与数据转换。 由于各方面的因素，本次设计的 USB 数据采集卡在数据精确度上没有太高的实现，主 要原因是高精度的模数转换器价格较高， 但是实现方法雷同， 本次 USB 数据采集卡研究的 成果将很方便的促进其他高性能的 USB 数据采集卡的研究。 经过这次基于 USB 的数据采集卡的设计过程，让我对 USB 协议有了更加明确的认识， 在电子开发设计中可能遇到的问题与解决问题的方法有了更进一步的了