（化工过程机械专业论文）基于usb接口和μcosⅡ的数据采集系统设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 数据采集技术是信息技术的重要组成之一，是计算机获取信息的主要手段，在工业 生产和科学研究等许多领域具有广泛的应用。随着科学技术的不断发展，人们对数据采 集的性能指标要求越来越高，传统的数据采集方式已经不能满足需要。通用串行总线 ( u s b ) 具有传输速度快、即插即用、易于扩展、占用系统资源少等优点；嵌入式实时操 作系统( r t o s ) 中的f l c o s i i 则具有代码效率高、占用空间小、良好的实时性和可靠性 等特点。本文将二者与传统的数据采集技术相结合，设计实现了一种基于u s b 通信和 c o s i i 的集数据采集、分析、显示为一体的数据采集系统。 该系统采用基于精简指令集限i s c ) 的高档8 位a v r 系列单片机a t m e g a l 6 为核心， 结合支持u s b1 1 协议的u s b 控制芯片p d i u s b d l 2 以及其他外围器件组成硬件平台 该硬件平台具有高运行速度( 6 m i p s ) 、低功耗、易于扩展等特点。通过构建嵌入式软件 开发环境、移植g c o s i i 、编写固化到a t m e g a l 6 单片机的引导程序( 即固件程序) ， 实现系统的数据采集、数码显示以及与p c 机通信等设备端任务。在固件程序中移植的 # c o s i i 具有很强的任务管理功能，各任务协调运行，提高了系统的可靠性和实时性。 而在p c 端，引入微软新近的w d m 驱动程序模型，在其基础上开发了数据采集系统的 设备驱动程序，可以成功地对设备进行识别、配置，并提供了同设备进行数据交换的应 用程序接口。基于这些接口，编制了具有查询设备、与设备交换数据并将数据绘制成动 态曲线等功能的p c 端应用程序。 论文工作完成的基于u s b 接口和m c o s 的数据采集系统，采样频率可达1 5 k s p s ( 每秒采样次数) ，数据传输错误恢复率大于9 9 ，即插即用、使用方便且具有很低的 开发成本，可以为数据采集特别是电池供电移动或手持采集设备提供一种有效的解决方 案和方便使用、高效传输的设备形式。 关键词；u s b ；uc o s - n ；a v r ；数据采集；w d m 基于u s b 接口和d c o s - 的数据采集系统设计 d e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d o nu s b a n d 强c o s i i a b s t r a c t t h ed a ma c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t sa n dp a r c e l so ft h e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ep r i m a r ym e a n sf o rc o m p u t e r st oa c q u i r ei n f o r m a t i o n , i s w i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha si n d u s t r y ，s c i e n c ea n ds oo n a st h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c et e c h n o l o g y ，t h ep e r f o r m a n c eo fd a t aa c q u i s i t i o ni sr e q u i r e dt ob eb e t t e ra n db e t t e r , s o t h et r a d i t i o n a lm e t h o di sn o ta b l et om e e tt h ed e m a n d an e wk i n do fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i sd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，w h i c hi sb a s e do nu n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) a n d ，l c o s i i o p e r a t i n gs y s t e mw i t hd a t aa c q u i s i t i o n , a n a l y s i sa n dd i s p l a yt o g e t h e r t h ea d v a n c e d p e r f o r m a n c eo fu s b w i t hh i g hs p e e d ，p l u ga n dp l a y , e x p a n d i n ge a s i l ya n de n g r o s s i n gl e s s s y s t e mr e s o u r c e ，a n d u c o s - 1 1w i t hh i g he f f i c i e n c yo fc o d e ，s m a l ls i z e ，g o o dr e a l t i m e p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yi ss h o w n i nt h es y s t e m t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es y s t e m ，w h i c hi sh i g h s p e e d ( 6m 口s ) l o w - p o w e ra n d e a s yt oe x p a n d , c o n s i s t so fh i g h p e r f o r m a n c e8 - b i ta v r s e r i e sm i c r o c o n t r o l l e ra t m e g u l 6a s t h ec , o g e ，u s bc o n t r o l l e rp d i u s b d l 2 蜘纠眦gu s bs p e c i f i c a t i o nr e v i s i o n1 1a n do t h e r p e r i p h e r yd e v i c e s b ys e t t i n g 叩e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t , r e p l a n t i n g c o s - l ia n dd e v e l o p i n gt h ef i r m w a r ep r o g r a mf o ra t m e g a l 6 ，t h et a s k so fd a t aa c q u i s i t i o n , c o d ed i s p l a ya n dc o m m u n i c a t i n gw i t hp e r s o n a lc o m p u t e ra r ec o m p l e t e d t h e 比c o s i i r e p l a n t e di nf i r m w a r ep r o g r a mi sp r o v i d e dw i t ht h ef u n c t i o no ft a s km a n a g e m e n t , w h i c h c o o r d i n a t e st h et a s k sa n di m p m v et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h ew i n d o w sd r i v e rm o d e l ( w d m ) i si n t r o d u c e da n dt h ed e v i c ed r i v e ro ft h es y s t e mi sd e v e l o p e d b a s e do ni tt oi d e n t i f y a n dc o n f i g u r et h ed e v i c e , a n dt op r o v i d et h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e s b a s e do nt h e s e i n t e r f a c e s ，a p p l i c a t i o np r o g r a mi sd e v e l o p e dt of i n da n de x c h a n g ed a t aw i t ht h ed e v i c e ，a n dt o d r a wad y n a m i cc i l t v ew i t ht h ed a t ar e c e i v e d t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s ba n d 卢c o s - i i w h o s es a m # i n gf r e q u e n c yi s u p t 01 5k s p s ，f a u l tc o v e r a g er a t eo fd a t at r a n s f e ri sm o r et h a n9 9 ，a n dc o s to fd e v e l o p m e n t i sv e r yl o w , p r o v i d e sa ne f f e c t i v es e t t l e m e n ta n dc o n v e n i e n td e v i c em o d ef o rm o b i l ea n d h a n d s e td e v i c ew i t hb a t t e r yp o w e rs u p p l y k e yw o r d s ：u s b ；m c o s - i i ；a v r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；w d m u 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：盔筮盟日期：苎迫：! ：兰皇 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名煎盗受 新繇年盥l 兰! ! 年上月兰殳日 一= 一j = = h h 大连理工大学硕士学位论文 引言 信息技术的三大支柱技术是信息获取技术、通信技术和计算机技术，即通常所说的 3 c 技术( c o l l e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o n , c o m p u t e r ) 。其中，信息获取技术是信息技术的基础 和前提，而数据采集是信息获取的主要手段。数据采集研究数据的采集、存储、处理以 及控制等工作，具有很强的实用性。今天，数据采集技术已经在工业生产和科学技术等 众多领域中得到了广泛应用并取得了良好效果。随着科学技术的发展，人们对数据采集 系统的各项技术指标，如采样率、分辨率、线性度、精度、输入范围、控制方法以及抗 干扰能力等都提出了越来越高的要求。 在数据采集系统中，单片机与计算机p c 之间的数据传送，可以通过对单片机进行 外围器件扩展来实现。单片机通过扩展r s 2 3 2 串行接口实现与p c 机的数据传送，是一 种传统的扩展方式，但其串口的最高通信速率仅为1 9 2 k b p s ，根本无法满足高精度连续 采样的要求。随着u s b 技术的发展，扩展u s b 接口应用越来越广泛，而且具有良好的 发展前景。u s b 技术具有以下优点：真正完全实现即插即用，支持热插拔和操作系统的 自动配置；多设备连接，通过u s b 集线器扩展的方式可最多支持1 2 7 个设备同时连接， 避免了i o 接口、中断、插槽数等计算机有限资源的限制；足够的带宽和连接距离，标 准u s b 电缆为3 m ( 低速5 m ) ，通过集线器级连可使外设距离达到3 0 m ；多种数据传 输方式，适应不同的需要。采用u s b 总线作为数据采集仪器与p c 机的数据输送通道， 不但安装方便，不受机箱内环境的干扰，而且在扩展性，传输速度、连接距离等方面完 全可以满足要求。 目前，基于u s b 的数据采集技术在国外已处于高速发展阶段，尤其是在高速数据 传输速度、高实时性、高同步性等方面有雄厚的技术实力。从事u s b 数据采集技术开 发的企业公司也很多，推出了许多性能优异的产品，如美国o c e a n o p t i c s 公司的 a d c l 0 0 0u s b 、d a t x 公司的d t 9 8 3 4 系列以及m 公司的u s b d a q 卡系列等。近两 年，国内的u s b 数据采集技术开发也已经开始起步，并迅速发展，水平不断提高。市 场上国内的主要产品有北京优采公司的u a 3 0 0 系列和四川拓普公司的u d a q 、u b o x 、 u c a r d 系列等。虽然与国外同类产品相比，国内u s b 数据采集系统的性能有一定差距， 如数据采集频率低、精度和分辨率低、数据处理能力差、存储容量小等，但是国内各企 业、科研机构正积极跟踪国外最新技术，不断提高u s b 数据采集的研究开发水平，力 争保持国内产品低价位的同时达到国外产品的高品质。 本课题的研究工作是要开发一个基于u s b 接口和嵌入式实时操作系统的数据采集 系统。在单片机外围扩展的u s b 接口提高了数据采集系统的数据传输速度，而为了提 基于u s b 接口和# c o s - i i 的数据采集系统设计 高系统的实时性和可靠性，在单片机的固件程序中又引入了实时操作系统，用来对系统 中数据的采集、处理、显示和传输等任务进行管理。在系统的p c 端，通过开发设备的 驱动程序和用户应用程序对u s b 接口发来的数据进行接收、处理和显示。整个系统安 装简单、使用方便，而且数据采样率、抗干扰能力和实时性都比较高，具有一定的应用 价值。 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 数据采集系统 数据采集是指将温度、压力、位移、流量等模拟量采集并转换成数字量后，再由计 算机或单片机进行存储、处理或显示的过程。相应的用于数据采集的系统称为数据采集 系纠1 埘。 1 1 1 数据采集的意义和任务 数据采集技术是以传感器技术、测试技术、电子技术和计算机技术等技术为基础的 一门综合应用技术，这些技术水平的进步尤其是计算机技术的普及和发展提升了数据采 集的技术水平。在生产过程中，应用数据采集系统可对生产现场的工艺参数进行采集、 监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采 集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。总之，不论在哪个应 用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。 数据采集系统的任务，具体地说，就是对传感器输出的模拟信号进行采样并转换成 计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。 与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一 部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应 有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。 i 1 2 数据采集的基本过程 数据采集的过程主要包括信号传感、模数转换以及数据处理。 各种待采集的物理量，如温度、压力、位移、流量等都是非电量。首先要把这些非 电量转换成电信号，然后才能实现进一步的处理。把各种物理量转换成电信号的器件称 为传感器。传感器的类型有很多，如测量温度的传感器有热电偶、热敏电阻等；测量机 械力的有压力( 敏) 传感器、应变片等；测量机械位移的有电感位移传感器、光栅位移 传感器等；测量气体的有气敏传感器等。敏感元件是整个传感器的核心元件，如温度传 感器通过热电偶或热电阻将温度信号转换成电信号。但这个信号是模拟量，不能直接送 给c p u 或数字式p i d 控制模块，必须进行模数转换。 模数( a d ) 转换的过程也就是模拟信号的采集过程，包括三个基本步骤：采样、量 化、编码。把时间上连续的模拟信号，按一定的时间间隔抽出一个样本数据，转变为时 一3 一 基于u s b 接口和h c o s - i i 的数据采集系统设计 问上离散的信号，这一过程称为信号的采样。连续信号在任何时刻的数值都是已知的， 但在采样后，除了能掌握采样时刻的数值外，其他信号就丢失了。采样周期越大，信息 丢失越严重。所以在实际的数据采集中，必须要保证一定的采样频率。量化是一种用有 限字长的数字量逼近模拟量的过程，即为模拟量数字化的过程。编码是将已经量化的数 变为二进制数码，以便计算机接收并处理。模拟信号经过这三步转换后，变成时间上离 散、幅值上量化的数字信号。这三个步骤都是由a d 转换器来完成的。 模拟信号转换为数字信号之后，计算机就可以接收了。数据处理就是计算机将接收 到的数字信号进行相应的计算，得到所需的数据，同时进行存储、显示或者打印的过程。 在经过数据处理之后，通过计算机的人机交互界面，可以很直观的看到现场工艺参数的 变化。 1 1 3 数据采集系统的功能 由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几方面的功能： ( 1 ) 数据采集 计算机按照预先选定的采样周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，有时还要对 数字信号、开关信号进行采样。数字信号和开关信号不受采样周期的限制，当这类信号 到来时，由相应的程序负责处理。 ( 2 ) 模拟信号的处理 模拟信号是指随时问连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值 为连续值，即从一个量变到另一个量时中间没有间断。 模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的弱电平信号，另一种是由仪器、 变送器输出的0 - 1 0 m a 或4 - 2 0 m a 的电流信号。这些模拟信号经过采样和a d 转换输 入计算机后，常常要进行数据的正确性判断、标度变换、线性化等处理。 模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值或相 位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。 ( 3 ) 数字信号的处理 数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信号是 由有限字长的数字组成，其中每位数字不是0 就是1 ，这可由脉冲的有无来体现。数字 信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。 数字信号是由某些类型的传感器或仪器输出，它在线路上的传送形式有两种：一种 是并行方式传送，另一种是串行方式传送。数字信号对传送线路上的不完善性( 畸变、 一4 大连理工大学硕士学位论文 噪声) 不敏感，这是因为只需检测有无脉冲信号，至于信号的精确性( 幅值、持续时间) 是无关紧要的。 数字信号输入计算机后，常常需要进行码制的转换处理，如b c d 码转换成a s c 码、显示段码等，以便显示数字信号。 ( 吣开关信号处理 开关信号主要来自各种开关器件，如按钮开关、行程开关和继电器触点等。开关信 号的处理主要是监测开关器件的状态变化。 ( 5 ) 二次数据计算 通常把直接由传感器采集到的数据称为一次数据，把通过对一次数据进行某种数学 运算而获得的数据称为二次数据。二次数据计算主要有：平均值、累计值、变化率、差 值、最大值和最小值等。 ( 6 ) 屏幕显示 c r t ( c a t h o d er a yt u b c ，阴极射线管) 显示装置可把各种数据以方便于操作者观 察的方式显示出来，屏幕上显示的内容一般称为画面。常见的画面有：相关画面、趋势 图、模拟图、一览表等。 ( 7 ) 数据存储 数据存储就是按照一定的时间间隔，定期将某些重要数据存储在外部存储器中。 ( 8 ) 打印输出 打印输出就是按照一定的时间间隔或人为控制，定期将各种数据以表格或图形的形 式打印出来。 ( 9 ) 人机联系 人机联系是指操作人员通过键盘或鼠标与数据采集系统对话，完成对系统的运行方 式、采样周期等参数的设置。此外，还可以通过它选择系统功能、选择输出需要的画面 等。 t 2u s b 通用串行总线 u s b 是u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的简称，译为通用串行总线。u s b 是一种外设总线，是 由c o m p a q 、d e c 、m m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 以及n o r t h e r nt c l e c o m 等几家计算机 和通信公司联合制定的，并成为了行业标准，目前支持u s b 的外设广为流行，几乎所 有的p c 外设都可以移植到u s b 上来。 1 2 1u s b 通信总线的特点 u s b 的流行同其特点是分不开的，作为新一代计算机接口，u s b 有如下特剧3 】； 基于u s b 接n 秕o s - i i 的数据采集系统设计 ( 1 ) 低成本。为了把外围设备连接到计算机上去，u s b 提供了一种低成本的解决方 案。所有系统的智能机制都驻留在主机并嵌入芯片组中，方便了外设的制造。 ( 2 ) 传输速度快。在传输速度方面，u s b 支持3 种信道速度：低速( l o ws p e e d ) 的 1 5 m b s ，全速( f u l ls p c c d ) 的1 2 m b s ，以及高速( h i g hs p e e d ) 的4 8 0 m b s 。具备u s b 功能 的p c 都支持低速与全速，高速则需要支持u s b2 0 的主机扳或扩充卡。 ( 3 ) 稳定性。具备自动查错和除错的功能，使错误的发生率几乎为零。 ( 4 ) 热插拔。u s b 实现了真正的“即插即用”功能。设备连接后由u s b 自检测， 并且由软件自动配置，完成后立刻就能使用，不需要用户进行干涉。 ( 5 ) 独立供电。u s b 通过集线器给设备提供电源，设备无需专用电源线。 ( 6 ) 低能耗。u s b 外围设备处在待机状态的时候，会自动启动省电的功能来降低耗 电量。当要使用设备时，又会自动恢复原来的状态。 ( 7 ) 支持四种类型的传输方式。u s b 定义了四种不同的传输类型来满足不同设备的 需求，这些传输类型包括实时传输、批量传输、中断传输和控制传输。 ( 8 ) 最多可通过网络连接1 2 7 个设备。 ( 9 ) 单一的连接器类型。u s b 定义了简单的连接器，仅使用一个四芯电缆即可用来 连接任何一个u s b 设备。多个连接器可以通过u s b 集线器连接。 ( 1 0 ) u s b 系统在设计上保持了向上继承性。新版本的协议可兼容旧版本的协议，一 些传统的基于串口和并口的设备可经过简单转换连接到u s b 接口上。 ( 1 1 ) 操作系统支持。 1 2 2u s b 通信系统软、硬件结构 u s b 通信系统是一个典型的软、硬件结合的系统，因此有必要从软、硬件两方面了 解u s b 系统。u s b 系统中的软件和硬件互相支持，互为补充，共同实现u s b 的协议功 能。 ( 1 ) u s b 通信系统的层次对应关系 u s b 通信系统的层次对应关系如图1 1 所示。u s b 通信系统分为以下三层： 最上面一层为功能层，包括客户应用软件和设备功能块，它们之间有直接的逻 辑对应关系。这种对应关系说明在逻辑上客户应用软件只需考虑如何实现具体设备功能 即可。 中间一层为u s b 设备层，包括u s b 的系统设备驱动软件和u s b 设备的通信软、 硬件部分。它们之间的关系也为逻辑上的对应关系。 大连理工大学硕士学位论文 最下面一层为u s b 总线接口层。黑箭头表示实际信号传输路径。u s b 串行信号 是由主机控制器经电缆传到设备接口芯片的s i e ( s e r i a l i n t e r f a c e e n g i n e ，串行接口引擎) 上，再由s i e 做数据解码和校验后提交到设备的上一层去进一步解析。 主机 互联关系 设备 数据协议层 u s b 有两条信号线，在总线上传输设备的数据，这些信号线由所有设备所共享。在 总线上的数据传输，一共有4 种传输类型，即控制传输、中断传输、批量传输与实时传 输。每一种传输都有其格式与协议，来让用户选择最适合的传输类型。主机负责管理总 线上的这些传输，依据时间将其分割成一个一个的帧或是微帧。每一个帧的开头是一个 开端信息包，然后是传输数据的事务。u s b 规范将事务定义为“将一个服务传送到端点”， 而端点是指设备内的某一块数据缓冲区，是主机与设备之间通信的来源或目的。主机可 以在帧内任意编排事务。每一个传输包含一笔或是多笔事务，而每一笔事务包含一个、 两个或是三个信息包，每一个信息包又包含一个信息包标识符、c r c 校验位以及额外的 信息。每一笔事务都包含一个令牌信息包，并且可能包含一个数据与或联络信息包，包 含识别用途、错误检查、控制等信息以及要交换的数据。联络信息包用来报告整个传输 是否成功。 ( 2 ) u s b 设备架构 u s b 设备可被划分为以下三层：底层是发送和接收包的总线接口；中间层是处理总 线接口与设备不同端点之间的数据路由；最上层的功能由具体的设备决定。其中u s b 设备中间层的通用属性和操作用于实现设备和主机之间的通信，与设备的特定功能无 关，下面对其加以介绍。 通用u s b 设备操作 所有的 u s b 设备都支持通用的操作集，包括以下操作： 动态的连接和拔出。u s b 设备可以在任何时候连接和拔出，提供连接点或端口的集 线器负责报告端口状态的任何变化。主机在检测到连接后使能设备所连接的集线器端 口，同时也使设备复位。当设备从集线器端口拔出后，集线器禁能设备所连接的端口， 并通知主机设备已拔出。 地址分配。当u s b 设备连接后，主机负责给设备分配唯一的地址。这在主机使设 备复位后完成，而且设备所连接的集线器端口已被使能。 配置。u s b 设备必须配置功能才能使用。主机负责配置u s b 设备，并向u s b 设备 请求配置信息，以确定设备的性能。 数据传输。数据以四种方法中的一种在u s b 设备端点与主机之间传输。 电源管理。u s b 设备的电源管理包括电源和远程唤醒两部分。 请求的处理。所有的请求只能由主机发出，设备响应此请求，做出适当的处理。 一9 一 基于u s b 接n 和g c o s - i i 的数据采集系统设计 请求错误。当设备接收到的请求没有被设备定义，或者不适用于当前的设备设置， 或者值与请求不一致时，会出现请求错误。设备在下一个数据传输阶段或状态交换阶段 返回一个表明错误的s t a l l 握手包标识符。 u s b 设备请求 u s b 设备利用描述符来报告其属性。一个描述符是具有一个确定格式的一个数据结 构。每个描述符都以一个字节宽并包含了该描述符中的所有字节数的场为开始，再跟上 一个说明描述符类型的一字节宽的场。 所有的u s b 设备在“设备的默认控制管道( d e f a u l tc o n t r o lp i p e ) ”处对主机的请求 发出响应。这些请求是通过使用控制传输来达到的，请求及请求的参数通过s e t u p 包发 向设备，由主机负责设置s e t u p 包内的每个场的值。每个s e t u p 包有8 个字节。通过这 几个字节u s b 设备对主机的设备请求进行解码。 标准设备请求 所有的u s b 设备都支持标准设备请求，甚至在未被分配地址或未被配置时，u s b 设备也必须响应标准的设备请求。特性选择符用来设置特性或使特性生效。 清除特性。这个请求用于清除一个指定的特性。接收者是设备要用设备特性选择符， 是接口要用接口特性选择符，是端点用端点特性选择符。 取得配置。这个请求返回当前设备的配置值。如果返回的值为0 ，表示设备未被配 置。 取得描述符。这个请求返回设备描述符。这个标准请求支持3 种描述符类型：设备、 配置和字符串。请求配置描述符将返回配置描述符、所有接口描述符和在这个请求中所 有接口的端点描述符。第一个接口描述符就跟在配置描述符后面，第一个接口的端点描 述符紧跟其后。如果有额外的接口，它们的接口描述符和端点描述符紧跟在第一个接口 的端点描述符后面。专用的类型和威厂商描述符在它们扩展或修改的标准描述符后面。 所有设备必须提供一个设备描述符和至少一个配置描述符。 取得接口。这个请求向指定接口返回选中的备用设置。 取得状态。这个请求返回指定接收器的状态。 设置地址。这个请求为所有未来的设备访问设置设备地址。请求实际上分成3 个阶 段。在第一阶段，建立包被发送到设备。在可选的第二阶段，数据在主机与设备之间传 输。在最后一个阶段，状态在主机与设备之间传输。数据和状态传输的方向由主机正向 设备发送数据还是设备正向主机发送数据决定。状态阶段的传输一般与数据阶段的传输 方向相反。如果不存在数据阶段，那么状态阶段就从设备发送到主机。 设置配置。这个请求设置设备的配置 大连理工大学硕士学位论文 设置描述符。这个请求是可选的，用于更新已有的描述符或者增加的描述符 设置特性。这个请求用于设置或使能一个指定的特性。 设置接口。这个请求允许主机为指定的接口选择另一个设置。某些u s b 设备会有 接口设置互斥的配置。此请求让主机选择所要的设置。 同步帧。这个请求用于设置和报告端点的同步帧。 ( 3 ) u s b 主机 主机在整个u s b 体系结构中是惟一的，主要由以下几个层次组成：u s b 总线接口 层、u s b 系统层和u s b 客户层。 u s b 总线接口处理电气及协议层的互连。从互连的角度看，u s b 设备和u s b 主机 都提供类似盼u s b 总线接口。由予主机在u s b 系统中的特殊性，u s b 主机上的总线接 口还必须具备主机控制器( h 0 6 tc o n t r o l l e r ) 的功能，主机控制器具有一个内集成的集线器 ( 根集线器) 提供与u s b 电缆的连接。 u s b 系统层使用主机控制器来管理主机与u s b 设备的数据传输。u s b 系统层相对 于主机控制器而言，处理的是以客户观点见到的数据传输及客户与设备的交互。u s b 系 统还必须管理u s b 的系统资源，以使得客户的访问成为可能。u s b 系统层有三个主要 组成部分：主机控制器驱动h c d 、u s b 驱动u s b d 和主机软件。u s b 驱动提供了基本 的面向客户的主机接口。在h c d 与r u s b d 之间的接口称为主机控制器接口。这层接口 不能被客户直接访问。通常，h c d i 是由支撑各种不同主机控制器的操作系统来定义的。 u s e r 客户层描述的是直接与u s b 设备进行交互所需要的软件包。当所有的设备都 已连上系统时，这些客户就可以直接同设备进行通信。一个客户不能直接访问设备的硬 件 通过这三个层次，主机就可以提供以下的功能： 检测u s b 设备的连接与断开。 管理主机与设备之间的标准控制流。 管理主机与设备之间的数据流。 收集状态及一些活动的统计数字。 控制主机控制器与u s b 设备的电气接口，包括提供有限的能源。 1 3 论文的主要工作 本课题旨在开发一个基于u s b 接口和嵌入式实时操作系统的数据采集系统，从开 始选题到现在论文工作基本完成，经历了背景知识学习、相关知识学习、方案的对比分 基于u s b 接n 和# c o s - i i 的数据采集系统设计 析及确定、硬件制作及测试、软件制作及测试、系统集成测试及论文最终完成的一个学 习与研究的过程，现将主要工作介绍如下： ( 1 ) 系统学习了嵌入式系统的基本知识，并对嵌入式应用系统的设计方法进行了细 致的了解。 ( 2 ) 认真学习了数据采集和u s b 通信的相关知识，查阅了有关u s b 通信和数据采 集的相关文献，对基于u s b 通信的数据采集系统的开发形成了最基本的思路。 ( 3 ) 通过对各种方案的分析、对比，确定了数据采集系统的最终方案，并在开发的 过程中，对方案的各个部分进行论证与调整。 ( 4 ) 完成了系统中各个电子元件的选型，并设计出了系统的硬件电路图。 ( 5 ) 建立了固件程序编程环境，对嵌入式实时操作系统i c o s 进行了成功的移 植，并在该操作系统平台上编写、调试了系统的固件程序。 ( 6 ) 在w i n d o w s 平台上编写了u s b 驱动程序和应用程序，并完成了相关的程序调 试工作。 将固件程序、驱动程序、应用程序和硬件电路结合在一起进行了集成调试和测 试，最终取得了比较理想的结果。 大连理工大学硕士学位论文 2 嵌入式系统及其操作系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件协调设计，适应应用系 统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统包 括硬件和软件两部分。硬件包括处理器或微处理器、存储器( r o m 和r a m 等) 以及 外设器件和i ，0 端口、图形控制器等。软件部分包括嵌入式操作系统和应用软件程序。 操作系统控制着应用程序与硬件的交互作用，应用程序控制着系统的运作和行为。本章 将介绍嵌入式系统相关的基本知识，使得在进行嵌入式系统设计的过程中能够有据可 依，然后介绍一种比较适合嵌入式技术的初学者学习和使用的实时操作系统u c o s i i 2 1 嵌入式系统的体系结构 一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可以分成四个部分；嵌入式处理器、嵌入式 外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件删 2 1 1 嵌入式处理器 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用处理器 最大的不同点在于，嵌入式一c e u 大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将 通用凹u 中许多由板卡完成的功能集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计小型 化，同时还具有很高的效率和可靠性。 嵌入式处理器的体系结构经历了从c i s c ( 复杂指令集) 至r i s c ( 精简指令集) 和 c o m p a c t r i s c 的转变，位数则由4 位、8 位、1 6 位、3 2 位逐步发展到6 4 位。目前常用 的嵌入式处理器可以分为四种，即嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式d s p 处 理器和嵌入式片上系统。现分别介绍如下： ( 1 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，也就是一块芯片内部集成了整个计算机系 统。一般以某种微处理器内核为核心，并集成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻 辑、定时计数器、看门狗、哟、串行口、脉宽调制输出、d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 等各种功能单元和外设。从2 0 世纪7 0 年代末单片机出现到今天，虽然经过了2 0 多年 的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着及其广泛的应用。与嵌入 式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下 降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一 般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 基于u s b 接口和j d e 0 s i i 的数据采集系统设计 由于m c u 低廉的价格、优良的功能，所以拥有的品种和数量最多。比较有代表性 的通用系列包括8 0 c 5 1 ，m 6 8 h c 0 5 l l 1 2 1 6 ，m c s 9 6 1 9 6 ，m c 6 8 3 0 0 ，a v r ，m s p 4 3 0 系 列等。在本设计中所使用的主控芯片就是a t m e l 公司的a t m e g a l 6 微控制器。 ( 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u ，一般装配在专门设计的电路板上， 仅仅保留与嵌入式应用有关的功能，通常电路板上只包括必须的r o m 、r a m 、总线接 口、各种外设等器件。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上 和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面做了各种增 强。以内核的体系架构来分，目前市场上的嵌入式处理器主要有a r m 系列、p o w e r p c 系 列、x 8 6 系列、6 8 k f 夸 火系列和m i p s 系列等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp m s s 饵，d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，由于对系统结构和指令进行了特殊 设计，使其适合d s p 算法，编译效率较高。指令执行速度快。d s p 采用哈佛结构和流水 线技术，特别适合于信号的实时处理等领域。但是相对而言，控制能力相对较弱。嵌入 式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的 d s p 5 6 0 0 0 系列等。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 片上系统s o c 是在单片硅片上制作的更为复杂的系统，代表了以后硬件设计和实现 的趋势。其核心是各种功能模块，s o c 的目标是更专用、恰好够用、更低的成本和更高 的集成度。比较典型的s o c 产品是p h i l i p s 的s m a r tx a ，还有少数通用系列如s i e m e n s 的 t r i c o r c 、m o t o r o l a 的m c o r e 等。 2 1 2 嵌入式外围设备 嵌入式外围设备是指在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件( m c u 、d s p 、 e m p u 、s o c ) 以外，用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。常用的 嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。 存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失性存储器( r a m 、s r a m ) 、 动态存储器( d r a m ) 和非易失性存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h ) _ 2 种，其中 f l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领 域内得到了广泛应用。 大连理工大学硕士学位论文 目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括r s 一2 3 2 接1 ：3 ( 串行通信接1 3 ) ，s p i ( 串行外围设备接1 ：3 ) 、h d a ( 红外线接i ：1 ) 、i 2 c ( 现场总线) 、 u s b ( 通用串行总线接口) 、e t h e m e t ( 以太网接口) 等。 由于嵌入式应用场合的特殊性，外围显示设备通常使用的是数码管u d ( 【j g h t e m i t t i n gd i o d e ) 、液晶屏显示i c i ) ( i i q u i d c r y s t a l d i s p l a y ) 和阴极射线管c r t 等。 2 1 3 嵌入式操作系统 运行在嵌入式硬件平台上，对整个系统及其所操作的部件、装置等资源进行统一协 调、指挥和控制的系统软件就叫做嵌入式操作系统。 嵌入式操作系统的实质是嵌入式系统启动后首先执行的一段程序，相当于用户的主 程序，控制着应用程序与硬件的运行，其主要功能是作为嵌入式应用软件的开发和运行 平台，为应用程序提供编程接口，并为多任务刨建运行环境，完成任务的切换和调度。 嵌入式操作系统可以根据任务的要求，给每个任务分配c p u 时间，确保任务的时间要 求得到满足，分配系统资源( 包括存储器、外设等) ，并对任务调度、任务间通信等进 行管理 嵌入式操作系统可以分为实时操作系统( r t o s ) 和分时操作系统两类。实时操作系统 r t o s 是指能够使计算机系统及时地响应外部事件的请求，并能及时控制所有的实时设 备，调度各项实时任务的协调运行，而且能在一规定的时间内完成对事件处理的软件操 作系统。r t o s 的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务；其次才着眼于 提高计算机系统的使用效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定的 时间内做出正确的响应。r t o s 与分时操作系统有着明显的区别。具体地说，对于分时 操作系统，软件的执行在时间上的要求并不严格，时问上的延误或者时序上的错误，一 般不会造成灾难性的后果。而对于r t o s ，主要任务是对事件进行实时的处理，虽然事 件可能在无法预知的时刻到达，但是软件必须在事件随机发生时，在严格的时限内做出 响应( 系统的响应时间) 。另外，r t o s 的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能 对运行的最好和最坏情况做出精确的估计。