（工程力学专业论文）基于GY7C68013A芯片的数据采集装置研究.pdf

幕于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的数铡采集装霄研究 中文摘要 本课题主要利用数据采集技术、u s b 总线技术、c a n 总线技术、单片机技术以及 一些相关的软硬件知识，来研究了基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的数据采集系统装置。 u s b 接口具有即插即用、使用方便、传输速度快、可靠性高等特点，c a n 总线接 口具有传输距离远、带载波监测功能的对等模式传输等特性，本课题将这两种技术引 进数据采集装置中，并应用于磁场分布在线测量分析系统。在此基础上，本课题完成 了包括基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 、a d s 7 8 5 2 y 以及s n 6 5 h v d 2 3 0 的数据采集装置的电原理图设计、 p c 端的c a n 转r s 2 3 2 转接器的电原理图设计、电路板p c b 板的制作与实物焊接、磁 场测量装置的制作、数据采集装置的固件程序的编程与调试、w i n d o w s 下的基于w d m 设备驱动程序的动态链接库函数编程与调试、固件下载驱动程序的生成以及在v b 6 0 环境下磁场在线分析测量应用程序的编写等大量工作，其中涉及知识包括模拟电路、 数字电路、c 5 1 语言设计、k e i lc 、v c + + 6 0 、u s b 接口技术、c a n 总线接口技术、 w i n 2 0 0 0 d d k 、p r o t e l 9 9 s e 、v b 6 0 等。 最后通过综合调试，本课题实现了长直螺旋管磁场强度的在线测量，采集的数 据通过u s b 装置以及c a n 总线传送至p c 主机，完成了基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的u s b 接口和 c a n 总线的磁场在线测量而分析系统的设计。 关键词：c y 7 c 6 8 0 1 3 a 数据采集；u s b ；c a n 物理接口；磁场测量 幕于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的数据采集装霄研究 i ns e a r c ho fd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c eb a s e do nc y 7 c 6 8 0 1 3 ac h i p a b s t r a c t t h es u b j e c ti st os t u d yt h ed a t aa c q u i s i t i o ni n s t a l l i n gs y s t e mb a s e do n c y 7 c 6 8 013 a ，i n v o l v i n gi nt h ed a t a a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y ，u s bb u s t e c h n o l o g y ，c a nb u st e c h n o l o g y ，s c mt e c h n o l o g i e s ，a sw e l la sr e l a t e d h a r d w a r ea n ds o f t w a r ek n o w l e d g e a p l u g - a n d p l a yu s bi n t e r f a c e ，a n de a s y t o u s e ，t r a n s m i s s i o ns p e e d ，a n d h i g hr e l i a b i l i t yf e a t u r e s ，c a nb u si n t e r f a c ew i t ht h el o n gt r a n s m i s s i o n d i s t a n c ec a r r i e rw i t ht h em o n i t o r i n gf u n c t i o no ft h em o d eo ft r a n s m i s s i o na n d o t h e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u b j e c t so ft h e s et w ot e c h n o l o g i e st h ei n t r o d u c t i o n o fd a t aa c q u i s i t i o na n d ，i nc o n j u n c t i o nw i t ham a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no f t h eo n - l i n em e a s u r e m e n ts y s t e m s o nt h i sb a s i s ，i n c l u d i n gt h ec o m p l e t i o no f t h i si s s u eb a s e do nc y t c 6 8 013 a a d s 7 8 5 2 ya n ds n 6 5 h v d 2 30d a t a a c q u i s i t i o nd e v i c e s ，s c h e m a t i cd e s i g n ，t h ep c c a nt or s 2 3 2a d a p t e r e l e c t r i c a ls c h e m a t i c s ，p c ba n dp c bb o a r dp r o d u c t i o ni nk i n dw e l d i n g ， m a g n e t i c f i e l d m e a s u r i n g d e v i c e p r o d u c t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n d e v i c e f i r m w a r ed e b u gt h ep r e p a r a t i o no fp r o c e d u r e s ，b a s e do nt h ew i n d o w sw d m d e v i c ed r i v e r sf u n c t i o no ft h ed y n a m i cl i n kl i b r a r y ，a sw e l la st h ep r e p a r a t i o n o fd e b u g g i n g ，f i r m w a r ed o w n l o a dt h ed r i v e rs o f t w a r ea sw e l la st h ef o r m a t i o n o ft h ee n v i r o n m e n ti nv b 6 0o n l i n em e a s u r e m e n to ft h em a g n e t i cf i e l d 3 基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的数据采集装置研究 a p p l i c a t i o n ss u c ha st h ep r e p a r a t i o no fal o t o fw o r k ，w h i c hi n v o l v e st h e k n o w l e d g ei n c l u d i n ga n a l o gc i r c u i t s ，d i g i t a lc i r c u i t s ，c 51l a n g u a g ed e s i g n ， k e i lc ，v c + + 6 0 ，u s bi n t e r f a c et e c h n o l o g y ，c a nb u si n t e r f a c et e c h n o l o g y ， w i n 2 0 0 0 d d k ，p r o t e l 9 9 s e ，v b 6 0 ，e t c f i n a l l y ，i n t e g r a t e dd e b u g g i n g ，t h e i s s u eh a sl o n gs t r a i g h t l i n eh e l i c a l c o i l sm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hm e a s u r e m e n t s ，d a t af r o mt h ed a t aa c q u i s i t i o nv i a t h eu s bd e v i c e sa n dc a nb u ss e n tt ot h ep ch o s tp r o c e s s ，b a s e do nt h e c o m p l e t i o no ft h ec y 7 c 6 8 0 13au s ba n dc a nb u so n - l i n em e a s u r e m e n to f t h em a g n e t i cf i e l da n a l y s i ss y s t e md e s i g n k e yw o r d s ：c y 7 c 6 8 013 a ；d a q ；u s b ；c a np h y s i c a li n t e r f a c e ，m a g n e t i cf i e l d m e a s u r e m e n t 4 承诺书承话吊 本人郑重声明i 所呈交的学位论文，是在导师指 导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技 大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位 论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明 引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 0 年月日 第一章综述 第一章综述 1 1 数据采集系统及其发展的现状 1 1 1 典型的数据采集系统 随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展，数字系统已经广泛的运用于国民 经济、国防建设、科学实验的各个方面。相对传统的模拟信号，数字信号具有精度高、 稳定性好、易于集成化等优点，但是实际的生产和科研的各种信号都是连续的模拟信 号，所以引进了数据采集系统。典型的数据采集系统如下图1 - 1 所示1 3 1 1 8 】【9 】【1 1 1 。在图 1 - 1 中，外界的信号( 如压力、流量、温度、位移、振动、光强以及与光有关的物理 量等) 经传感器转换为系统可识别的信号如电压、电流、电容以及电感等信号，这些 信号经过信号调理电路( 隔离放大器等) 进入多路模拟开关( 狐x ) ，再进入前置放大器 ( i a ) 、采样保持电路( s h a ) 、模拟转数字电路( a d c ) ，最后经过数据总线进入到计算机， 计算机做数掘处理、分析、显示以及存盘等等。 模拟输入 l 、困， 圣 l 7 引 7 1 1 - j ：阔 一 田 c o o 图1 - 1 典型的数据采集系统 f i g 1 - 1t y p i c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 1 1 2 数据采集与处理系统的发展现状与趋势 数据采集系统起始于上世纪5 0 年代，1 9 5 6 年美国首先研究了用在军事上的测试 基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的数据采集装置研究 系统。随后的几十年罩，数据采集系统得到了迅速的发展，特别是随着电子技术、信 息技术的发展，数据采集系统的设计也进行了革命性的变化。数据采集系统经历了从 分立元件的时代发展到了今天的超高密度集成数字系统，采样的频率已经上了( ；时代 了 2 3 1 2 4 】【2 5 1 【2 6 】。 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事，航 空电子设备及宇航技术，工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高， 出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统。目前有的产品精度已达1 6 位采集速 度每秒达到几十万次以上，如凌特公司( l i n e a rt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 于2 0 0 5 年9 月推出的新型1 6 位、1 3 0 m s p s a d cl t c 2 2 0 8 ，再如a t m e l 公司2 0 0 5 年0 7 月推出 的a t 8 4 a s 0 0 4 就达到了l o - b i t 、2g s p s 的单芯片a d c 。 随着微电子技术的飞速发展，超高速数据采集技术也得到了长足的发展。数字存 储示波器是典型的数据采集系统。随着其采样率的不断提高，现己发展成为高速或超 高速数掘采集系统2 5 2 7 1 。 高速数据采集技术的发展一方面是提高采集速率，另一方面不断向两端延伸。一 端是输入的信号调理，另一端是采集后的数字化信号的实时处理与事后处理肛。随 着数字技术快速发展，数据采集技术已向着并行、高速、大量存储、实时分析处理、 集成化等方向发展2 引。 1 2u s b 的发展和特点 1 2 1u s b 的发展叫5 l 【3 2 】【3 4 】 u s b 概念的提出是在1 9 9 4 年。1 9 9 6 年u s b i 0 协议公布，但直到1 9 9 7 年m i c r o s o f t 公司推出w i n 9 5 9 7 之后，u s b 才开始进入实用阶段，而且这个版本对u s b 的支持属 于外挂式模块。直到w i n d o w s 9 8 推出后，u s b 接口的支持模块才真正日趋成熟，u s b 技术进入了高速发展时期。1 9 9 8 年c o m p a q ，i n t e l ，m i c r o s o f t ，n e c 四公司联合发 布u s b 协议1 1 版本，规定了两种速度( 低速1 5 m b i t s 和高速1 2 m b i t s ) 以满足不 同需要。很多厂商推出了1 1 协议芯片，促进了u s b 的发展。2 0 0 0 年4 月c o m p a q ， 2 第一章综述 h e w l e t t - p a c k a r d ，i n t e ，l u c e n t ，m i c r o s o t 。t ，n e c ，p h i l i p s 联合发布u s b 2 0 版， 将速度提高到4 8 0 m b s 。带宽( 数据的吞吐速度) 增大后，各种外设的功能扩展便显得 异常容易。2 0 0 1 年针对u s b 的单纯设备的局限，又发布了u s bo t g 规范，完善了u s b 作为主机和设备特性的协议。i n t e l 、n e c 等公司计划于2 0 0 8 年后半年推出b s b 3 0 ， 其传输速率将为现在的2 0 版本的1 0 倍。 1 2 2u s b 的特点 使用简单是u s b 的主要设计目标，其具有下列特征： 1 自动设置：当用户将u s b 设备连接到计算机上时，操作系统会自动检测该设备， 并且加载适合的驱动程序。 2 没有用户设置：u s b 外围设备没有用户设置的选项，例如指定通信端口地址或是 中断号码( i r q ) 等。 3 容易连接：u s b 外围设备是属于外接设备，用户不必打开计算机机箱来安插扩充 卡，直接将设备插入u s b 连接端口就可以了。 4 不需要电源：u s b 接口包含了+ 5 v 的电源线与地线，可以从计算机或是集线器提 供电源。在5 0 0 m a 下，u s b 外围设备可以直接使用u s b 端口提供的电源。 5 共同接口：不同种类的u s b 外围设备可以使用相同的接口，因此不必设计另外的 连接类型。 6 传输速度快：在传输速度方面，u s b 支持三种速度：低速( 1 0 ws p e e d ) 的1 5 m b p s ， 全速( f u l ls p e e d ) 的1 2 m b p s ，以及高速( h i g hs p e e d ) 的4 8 0 m b p 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 b 2 0 的主机板或扩充卡。 7 低成本：虽然u s b 接口比起以前的接口来得复杂，不过它的组件与电缆都不贵。 与以前的接口比较起来，u s b 接口甚至可能只需要更少的花费。 8 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。 9 稳定性：不管是硬件的设计或是数据传输的协议，u s b 都很稳定。u s b 驱动程序、 接收器以及电缆的硬件规范，都会尽量减少噪声干扰来避免产生错误数据。当u s b 协议检测到数据错误时，它也会同时要求是发送端重新传送数据。这些特性都是 由硬件来完成，不需要另外在程序中拦截干预。 基丁c y 7 c 6 8 0 1 3 h 芯片的数据采集装置研究 1 0 有弹性：u s b 的4 种传输类型( 控制、中断、批量与实时) 与3 种传输速度( 低速、 全速与高速) ，根据需要外围设备可以弹性选择。不管是交换少量或是大量的数 据，还是有无时效的限制，都有适合的传输类型。在操作系统，驱动程序，以及 应用程序上如果数据不能够有延迟，u s b 会尽其可能来达到真实传输时间。 1 3c a n 总线的发展和特点 1 3 1c a n 总线的发展 随着工业测控技术和生产自动化技术的不断发展，传统的r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 通信 技术已不能适应现代化的工业控制需要，而现场总线( f i e l d b u s ) 以其低廉的价格、可 靠的性能、远距离而逐步成为新型的工业测控领域的通信技术【2 7 】【2 引。 2 0 世纪8 0 年代初期，由于欧洲汽车工业发展的需要，最先由德国b o s c h 公司提 出c a n 总线方案以解决汽车控制装置间的通信问题。提出c a n 总线的最初动机就是为 了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是， 他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。b o s c h 公 司于1 9 8 6 年正式公布了这一总线，且命名为c a n 总线。1 9 8 7 年i n t e l 公司生产出了 首枚c a n 控制器( 8 2 5 2 6 ) 。不久，p h i li p s 公司也推出了c a n 控制器8 2 c 2 0 0 。1 9 9 3 年c a n 成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) 。为促进c a n 以及c a n 协议的发展，1 9 9 2 在欧洲成立了国际用户和厂商协会( c a ni na u t o m a t i o n ， 简称c i a ) ，在德国e r l a n g e n 注册，c i a 总部位于e r l a n g e n 。c i a 提供服务包括：发 布c a n 的各类技术规范，免费下载c a n 文献资料，提供c a n o p e n 规范d e v i c e n e t 规范； 发布c a n 产品数据库，c a n o p e n 产品指南；提供c a n o p e n 验证工具执行c a n o p e n 认证 测试；开发c a n 规范并发布为c i a 标准【2 9 1 。 在不需要高带宽、高性能以及低成本的场合，1 9 9 8 年，汽车制造商奥迪公司、 宝马公司、戴姆勒克莱斯勒公司等通信领域的专业厂商火山通信技术公司以及半导体 生产商摩托罗拉公司，共同创建了l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c t n e t w o r k ) 协会。它采 取了基于i s 0 9 1 4 1n r z 的传输模式。它是单线单主多从的协议，采用车用的1 2 v 电池 供电，数据传送由主节点控制。它与c a n 相比的优势在于：l i n 的生产及器件成本比 4 第一章综述 c a n 低，传输线为单线，取消了c a n 所需的5 v 电压调节器；它采用的是u a r t s c j 接 口硬件，和大多数微控制器一样，而c a n 的接口是非标的：它采用的自同步方式避免 了给从节点j , l - 力n 晶振。l i n 所需的所有接口硬件( 包括电线、连接件以及器件) 约需 一美元，而c a n 接口硬件约需二美元。 1 3 2c a n 总线的特点 c a n 总线是一种运用在汽车领域的高速现场总线，其主要的特点为1 3 7 1 1 4 3 】【4 9 l ： 1 c a n 可以是对等结构，即多主机工作方式，网络上任意一个节点可以在任意 时刻主动地向网络上其它节点发送信息，不分主从，通讯方式灵活。 2 c a n 网络上的节点可以分为不同的优先级，满足不同的实时需要。 3 c a n 采用载波检测的非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息 时，优先级低的节点自动停止发送，在网络负载很重的情况下不会出现网络 瘫痪。 4 c a n 可以点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通讯距离最 远l ok m ( 5 k b p s ) ，节点数目可达1 1 0 个，视总线接口芯片的不同而异。 5 c a n 采用的是短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，具有c r c 校验和其它 检测措施，数据出错几率小。c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭 功能，不会影响总线上其它节点操作。 6 c a n 总线没有具体的规定应该采用那种传输介质，因此通讯介质可以采用廉 价的双绞线，用户接口简单，容易构成用户系统。 1 4 论文的研究工作和组织结构 1 4 1 论文的研究工作 在磁场在线测量中，传统多采用指针式的仪表或采用数码管显示，每台仪器单独 工作，不能构成网络化的管理和数据共享。本文采用了通用串行总线u s b 2 0 以及具 有多主机制的带载波监测的c a n 总线作为数据通信，利用t e x a si n s t r u m e n t s 公司的 下属b u r r - b r o w n 公司的1 2 位高精度a d 芯片a d s 7 8 5 2 y ，完成了数据的采集、传输， 基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的数据采集装置研究 在p c 端设计了基于v b 6 0 的磁场在线测量分析软件。围绕本课题，本人主要做了以 下工作： 1 、深入学习u s b 2 0 接口技术的基础理论，对u s b 总线的开发技术有了全面的了 解。 2 、针对远程数据传输，本文深入分析了c a n 现场总线的载波监测以及多主传输 机制，并结合r s 4 8 5 接口机制，开发了具有c a n 物理接口的远距离传输接口。 3 、掌握数据采集与处理系统的设计和软硬件开发方法。 4 、熟悉了软件设计和开发的一般方法、步骤，使丌发的软件具有较好的可靠性、 可维护性和可读性。 5 、完成了u s b 设备固件的编写，利用c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的g p i f 引擎，连续采集数据， 并通过u s b 大端点快速的上传到主机端或是通过c a n 总线进行传输。 6 、在w i n x p d d k 环境下在由c y p r e s s 公司提供的固件下载驱动程序的构架基础上 生成了固件自动下载驱动程序。 7 、利用v c + + 6 0 开发了用于访问u s b 设备的动态连接库，然后在v b 6 0 中调用 此动态连接库进行长直螺旋管磁场强度测量的控制面板设计。 1 4 2 论文的组织结构 在本论文中，论述了u s b 技术在数据采集和处理系统中的应用与研究，使开发者 可以迅速熟悉和开发基于u s b 的数据采集处理系统，并在v b 6 0 中设计了长直螺旋管 在线测量分析控制面板。 本论文的研究重点在基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的长直螺旋管的磁场强度以及基于u s b 和 c a n 物理接口的数据采集装置。软件部分包括下位机的固件程序和p c 端的用来访问 u s b 设备的动态链接库以及应用程序。设备固件除了要完成数据采集系统控制的功能 外，还要完成u s b 以及c a n 物理接口的数据传输。 根据以上内容，本文组织如下。全文共分7 章，第1 章引言，分析了u s b 、数据 采集、c a n 现场总线的应用和发展现状，使读者对本文所要分析的内容有个良好背景。 第2 章“u s b 总线以及c a n 物理接口协议的介绍”，简单的介绍了u s b 的部分协议以 及具有载波监测的多主数据传输的c a n 物理接口总线。第3 章“数据采集装置的硬件 设计 ，介绍了本系统设计中的各个硬件部分，包括霍尔传感器以及信号的放大、数 6 第一章综述 据转换部分、c y 7 c 6 8 0 1 3 a 控制部分、u s b 接口、c a n 物理接口以及c a n 转r s 2 3 2 转换 器部分。此部分给出一个基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的数掘采集系统方案，并以此为例作为以 后各章论述的基础。第4 章“同件设计”，主要说明数据采集的采集和通信部分的软 件设计。第5 章“应用程序设计”，设计了访问i ：s b 设备的动态链接库、固件下载驱 动程序以及基于v b 6 0 的在线分析测量软件。第6 章“实验与结果”，利用本采集装 置在线采集长直螺旋管的磁场强度并进行的相应的数据分析。第7 章“总结”，总结 全文，指出了本文的不足之处，以及以后的改进工作。 第二章u s b 总线以及c 小总线物理接口协议介! “ 第二章u s b 总线以及c a n 总线物理接口协议介绍 2 1u s b 体系结构概述【l 】口【1 8 】【1 9 】【2 l 】【2 2 1 u s b 是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传 输。由主机预定标准的协议使各种设备分享u s b 带宽，当其它设备和主机在运行时， 总线允许在线添加、设置、使用以及拆除外设。 2 1 1u s b 系统的描述 一个u s b 系统主要被定义为三个部分：u s b 的互连、u s b 的设备以及u s b 的主机。 2 1 2 总线布局技术 u s b 连接了0 s b 设备和l s b 主机，u s b 的物理连接是有层次性的星型结构。每个 网络集线器是在星型的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能部件， 或从集线器到集线器或其功能部件，图2 - 1 给出了u s b 的拓扑结构。 图2 - 1u s b 的拓扑结构 f i g 2 - iu s bt o p o l o g y 9 基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的数据采集装置研究 2 1 2 1u s b 的主机 在任何u s b 系统中，只有一个主机。u s b 和主机系统的接口称作主机控制器，主 机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的，用以提供 更多的连接点。 2 1 2 2u s b 的设备 u s b 的设备只要有网络集线器和功能器件，网络集线器是向u s b 提供了更多的连 接点；而功能器件为系统提供具体功能，如i s d n 的连接，数字的游戏杆或扬声器。 2 1 3 物理接口 2 1 3 1 电气特性 u s b 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图2 2 中的两根线是用于发送信号。 i 盘写 d 件 d g n d i 皇潞 d 一- d g ：n d 图2 - 2u s b 电缆 f i g 2 - 2u s bc a b l e 电缆中包括v b u s 、g n d 二条线，向设备提供电源。v b u s 使用+ 5 v 电源，在高速 的设备下，u s b 端口可以向大功率设备提供高达5 0 0 m a 的电流。u s b 对电缆长度的要 求很宽，最长可为5 米。通过选择合适的导线长度以匹配指定的i rd r o p 和其它一些 特性，如设备能源预算和电缆适应度。为了保证足够的输入电压和终端阻抗。重要的 终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出高 速、高速以及低速设备。 2 1 3 2 机械特性 电缆和连接器的机械特性详件见文献 1 8 的第5 章。所有设备都有一个上行的连 1 0 第- 二章u s b 总线以及c 心总线物理接e j 协议介呈“ 接。上行连接器和下行连接器是不可简单的互换，这样就避免了集线器i 日j 的非法的循 环往复的连接，电缆中有四根导线：一对互相缠绕的标准规格线，一对符合标准的电 源线，连接器有四个方向，具有屏蔽层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。 2 1 4 电源 电源主要包括两方面：电源分配和电源管理，电源分配是u s b 的设备如何通过 u s b 分配得到由主计算机提供的能源；而电源管理则是通过电源管理系统，u s b 的系 统软件和设备如何与主机协调工作。 2 1 5 总线协议 u s b 总线属一种轮讯方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。每一总 线执行动作最多传送三个数据包。按照传输前制定好的原则，在每次传送丌始时，主 机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向，u s b 设各地址和终端号的u s b 数据包， 这个数据包通常称为标志包( t o k e np a c k e t ) 。u s b 设备从解码后的数据包的适当位置 取出属于自己的数据。数掘传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。在传输开 始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包或表 明没有数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。发送端 和接收端之间的u s b 数据传输，在主机和设备的端口之间，可视为一个通道。存在两 种类型的通道：流和消启、。流的数据不像消息的数据，它没有u s b 所定义的结构，而 且通道与数据带宽、传送服务类型，端口特性( 如方向和缓冲区大小) 有关。多数通 道在u s b 设备设置完成后即存在。u s b 中有一个特殊的通道缺省控制通道，它属 于消息通道，当设备一启动即存在，从而为设备的设置、查询状况和输入控制信息提 供一个入口。 事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制，从而在硬件级上防止了对缓冲区 的高估或低估，通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度。当不确认信号 发过后，若总线有空闲，数据传输将再做一次。这种流控制机制允许灵活的任务安排， 可使不同性质的流通道同时正常工作，这样多种流通常可在不同间隔进行工作，传送 不同大小的数据包。 基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的数据采集装置研究 2 1 6 健壮性 u s b 健壮性的特征在于： 1 使用差分的驱动接收和防护，以保证信号完整性； 2 在数据和控制信息上加了循环冗余码( c r c ) ； 3 对装卸的检测和系统级资源的设置： 4 对丢失或损坏的数据包暂停传输、利用协议自我恢复； 5 对流数据进行控制，以保证同步信号和硬件缓冲管理的安全； 6 数据和控制通道的建立，使功能部件的相互不利的影响独立开，消除了负作 用。 2 1 7 数据流种类 数据和控制信号在主机和u s b 设备间的交换存在两种通道：单向和双向。u s b 的 数据传送是在主机软件和一个u s b 设备的指定端口之间。这种主机软件和u s b 设备的 端口间的联系称作通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互独立的。一个指定 的u s b 设备可有许多通道。例如，一个u s b 设备存在一个端口，可建立一个向其它 u s b 设备的端口，发送数据的通道，它可建立一个从其它u s b 设备的端口接收数据的 通道。 u s b 的结构包含四种基本的数据传输类型： 1 控制数据传送：在设备连接时用来对设备进行设置，还可对指定设备进行控 制，如通道控制； 2 批量数据传送：大批量产生并使用的数据，在传输约束下，具有很广的动态 范围； 3 中断数据的传送：用来描述或匹配人的感觉或对特征反应的回馈。 4 同步数据的传送：由预先确定的传送延迟来填满预定的u s b 带宽。 2 1 8u s b 设备 u s b 设备分为诸如集线器、分配器或文本设备等种类。集线器类指的是一种提供 u s b 连接点的设备( 详见文献 1 8 第十章) ，u s b 设备需要提供自检和属性设置的信息， 第- 二章u s b 总线以及c 小总线物理接l j 协议介2 7 1 2 s b 设备必须在任何时刻执行与所定义的1 2 s b 设备的状态相一致自勺动态。 2 1 8 1 设备特性 当设备被连接、编号后，该设备就拥有一个唯一的u s b 地址。设备就是通过该 u s b 地址被操作的，每一个u s b 设备通过一个或多个通道与主机通讯。所有u s b 设备 必须在零号端口上有一指定的通道，每个u s b 设备的u s b 控制通道将与之相连。通过 此控制通道，所有的u s b 设备都列入一个共同的准入机制，以获得控制操作的信息。 2 1 8 2 设备描述 主要分为两种设备类：集线器和功能部件。只有集线器可以提供更多的u s b 的 连接点，功能部件为主机提供了具体的功能。 2 1 8 2 1 集线器 在即插即用的u s b 的结构体系中，集线器是一种重要设备。从用户的观点出发， 集线器极大简化了u s b 的互连复杂性，而且以很低的价格和高易用性提供了设备的健 壮性。 集线器串接在集中器上，可让不同性质的设备连接在u s b 上，连接点称作端口。 每个集线器将一个连接点转化成许多的连接点。并且该体系结构支持多个集线器的连 接。 2 1 8 2 2 功能部件 功能部件是一种通过总线进行发送接收数据和控制信息的u s b 设备，通过一根 电缆连接在集线器的某个端口上，功能设备般是一种相互无关的外设。像u s b 鼠标、 u s b 键盘、u s b 打印机等等都是u s b 功能部件。 2 1 9u s b 主机：硬件和软件 u s b 的主机通过主机控制器与u s b 设备进行交互。主机功能如下： 1 检测u s b 设备的安装和拆卸 基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的数据采集装置研究 2 管理在主机和u s b 设备之间的控制流： 3 管理在主机和u s b 设备之| 日j 的数据流； 4 收集状态和动作信息； 5 提供能量给连接的u s b 设备。 主机上u s b 的系统软件管理u s b 设备和主机上该设备软件之间的相互交互，u s b 系统软件与设备软件间有三种相互作用方式： 1 设备编号和设置； 2 同步数据传输； 3 异步数据传输； 4 电源管理； 5 设备和总线管理信息。 2 1 1 0u s b 体系结构完善 在u s b l 0 和u s b 2 0 的规范中，都明确的说明了任何一个u s b 设备都只能是从机， 而不能作为u s b 的主机用，因此在2 0 0 1 年，又推出了u s bo t g 规范，其完善了u s b 只能作为一个u s b 设各的不足，即符合u s bo t g 规范的设备，既可以作为设备也可以 作为u s b 主机来使用，其完善了u s b 规范，促进了u s b 的发展和应用。 2 2c a n 总线物理接口协议介绍 2 9 1 【3 0 】【4 3 】 2 2 1 c a n 总线协议分层结构 c a n 的1 5 0 2 0 5 1 参考模型的层结构分为： ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 定义信号是如何实际地传输的，因此涉及到位定时、 位编码解码、同步的解释。c a n 总线协议没有定义物理层的驱动器及接收器的特性， 以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 ( 2 ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 含以下两个子层： 介质访问控制子层m a c ( m e d i u ma c e s sc o n t r 0 1 ) 是c a n 协议的核心。它把接收到 的报文提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。m a c 子层负责报文分帧、仲裁、 1 4 第二章u s b 总线以及c 小总线物理接口协议介鲁“ 应答、错误检测和标定。m a c 子层也受一个名为“故障界定”( f a u i tc o n f i n e m e n t ) 的管理实体监督。此故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区分开来。 逻辑链路控制子层l l c ( l o g ic a ll i n kc o n t r 0 1 ) 涉及报文滤波、过载通知、以及 恢复管理。 2 2 2c a n 总线通信协议 c a n 总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，可以实现全分 布式多机系统，可以实现点对点，点对多点以及全局广播等几种方式传送和接收数 据，由此可见，c a n 总线的通信协议和规则起了重要的协调作用 c a n 总线是基于以下几条通信规则来协调的： 1 、总线访问：c a n 是共享媒体的总线，它采用带中冲突检测的载波监听多重访问 机制c s m a c d ( c a r i e rs e n s em u l t i p l ea c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 。c a n 总 线控制器只能在总线空闲的时候开始发送，并采用硬件同步，所有的c a n 控制器同时 都位于帧起始的前沿。当网络上至少又三个空闲位的时候( 总线空闲) 才开始发送 2 、仲裁：当总线空闲时呈隐性电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一个显 性电平作为一个帧的开始。如果此时同时有两个以上节点同时发送，就会产生总线冲 突。那么c a n 的仲裁机制就开始发挥作用了：c a n 按位对标识符进行仲裁，各节点在 向总线上发送电平的同时，也从总线上读取电平，并与自己发送的电平进行比较，如 果电平相同则继续发送下一位，不同则说明网络上有优先级更高的数据帧在发送，即 停止发送，退出总线竞争。 3 、编码和解码：帧起始域，仲裁域，控制域，数据域和c r c 序列都使用位填充技 术进行编码。在c a n 总线技术中，每连续五个相同状态的电平中插入一位与它相补的 电平，解码还原时插入的电平被删除，从而保证了数据的透明。 4 、出错控制：当检测到位错误，填充错误，形式错误或应答错误时，检测出错条 件的c a n 控制器就会发送一个出错控制标注。 5 、超载标注：一些c a n 控制会发送一个或多个超载帧以延迟下一个数据帧或远程 帧的发送。 基于c y 7 c 6 8 0 1 3 a 芯片的数据采集装置研究 2 2 3c a n 报文的帧类型 c a n 规范2 o 定义了4 种不同类型的帧： 数据帧( d a t a f r a m e ) ：数据帧将数据从发送器传输到接收器。 远程帧( r e m o t e f r a m e ) ：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据 帧。 错误帧( e r o r f r a m e ) ：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 超载帧( o v e r l o a d f r a m e ) ：超载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。 数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。它们用一个帧间隔与前面的 帧分开。 2 3小结 u s b 主机是整个总线的主控者，掌握着所有的控制权，负责对各个外围设备发出 各种命令与配置( u s bo t g 规范完善了其不足) 。u s b 总线有四科t 数据传输类型，最大 程度地满足了主机和外围设备进行数据交换的需要。主机按照一定的时问间隔发送开 始包，传递各种命令，完成它和各个外围设备的命令传递和配置。本章节只是对u s b 协议只是作了一个简单的介绍，详细的信息可以参考“u n i v e r s a ls e r i a l b u s s p e c i f i c a t i o n ”1 1 版、2 0 版中的有关章节。 c a n 总线主要运用于汽车领域的多主、高速现场总线，由p h y 层和l l c 层构成， 该总线具有点对点，一点对多点的传输，传输数据采用载波监听多路访问机制，同时 可以分为四种帧：数据帧、远程帧、错误帧以及超载帧，其中数据帧和远程帧为有效 的数据传输帧，而错误帧和超载帧是总线的可靠性、传输性方面的保证。 1 6 第三章数据采集装置的硬仆设计 第三章数据采集装置的硬件设计 3 1 数据采集装置的整体框图 系统的整体框图如下图3 1 所示： u s b 霍 尔 a d sc y 7 cr $ 2 3 2 传 7 8 5 2 6 8 0 1 3 a 感 y1 0 0 c a n 2 3 2 器主控板 转 c a n 磁场分布分 析软件( 通过 动态链接库 来访问u s b 设备以及 r s 2 3 2 ) f i g 3 - 1t h ew h o l ef r a m eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o n 系统主要由以下几个部分组成：霍尔传感器、a d 数据转换部分、u s b 主控部分、 u s b 数据通信部分、r s 2 3 2 接口部分、c a n 接口部分以及p c 端磁场分析软件部分。 霍尔传感器将磁场强度转换为模拟量，由于霍尔传感器内置了放大器，因此本 课题省去了外接的前置放大器，信号接着再进入a d s 7 8 5 2 y 进行模数转换。d s 7 8 5 2 y 的模数转换和数据传输是在主控芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的g p i fm a s t e r 模式控制下工作的， 采集回来的数据经由g p i f 传输到内部的u s b 接口的大端点f i f o ，并在a u t oi n 方式 下直接上传到p c 机进行数据分析和处理。同时数据也可以直接通过r s 2 3 2 进行数据 的传输。在远距离的分布式控制网路中，则采用了c a n 物理接口的多点传输方式，该 方式能满足多达1 1 0 个几