基于USB的实时数据采集系统设计毕业论文.doc
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1、 基于USB的实时数据采集系统设计 摘要 本论文讨论了一种外置的基于通用串行总线(USB)的实时数据采集系统的设计。内容包含该系统基本硬件,数据传输及应用软件的设计。硬件设计采用了优采测控公司的UA301数据采集卡作为数据采集芯片,该卡采用串行式传输,遵循USB1.1协议。其驱动程序完成应用程序与操作系统的USB接口功能,由UA301数据采集卡软盘提供。应用程序完成对外部采集设备进行控制以及从外设获取数据并显示,分析,处理和保存。本采集系统采用USB传输,支持即插即用,使用方便。系统具有多路数据数据采集能力,可完成单通道和三通道模拟信号的采集。USB传输接口可完全满足采集数据实时传送到主机的要
2、求。本采集系统用户软件基于C+ Builder可视化集成开发环境开发,能完成要求的数据采集功能,系统界面友好,简洁易用。关键词: 数据采集 通用串行总线(USB) UA301 C+ BuilderDesign of real-time data collector system based USBAbstract A design of out-placed real-time data collect system with Universal Serial Bus is discussed in this thesis. It includes system basic hardware、
3、data transmission and design of application program. A UA301 data collect card product by Addatech Corp. serves as an external data collect equipment, adopting serial data transfer and keeping to USB1.1 protocol. Device driver task of USB afford by its floppy disk, servers as interface between appli
4、cation program and USB operation system. Application program implement controlling of external device and gathering、displaying、analyzing、disposing、and keeping data. This system Data transmission uses serial mode, supports plugging and playing and utilized convenient. The system has ability of multi-
5、channel data collection, and also can perform single channel or tri-channel in 32 routes single-end collecting. The USB interface can suffice the requirement of speed data transmission. The user software of this system designed based on c+ Builder visual integration design environment ,can complete
6、the abilities of requested data collection. The system has friendly interface and operated simply.Key word: Data Collector System Universal Serial Bus UA301 C+ Builder 目 录摘要1目录3第一章 概述51.1数据采集技术引言51.2 通用串型总线(USB)传输技术优点51.3数据采集技术的分类及本课题采用方案61.4论文研究内容和目的6第二章 USB技术原理简介72.1 USB总线的性能及特点72.2 USB总线的数据流模型82.
7、2.1 USB系统的结构82.2.2 USB的数据流92.3 usb事务处理102.4 usb设备框架112.4.1设备状态112.4.2 USB设备的操作12第三章 UA301型A/D采集器123.1主要功能特点及技术指标123.2 A/D 数采卡硬件连接及其驱动133.4 UA301编程函数简介14第四章 UA301数据采集系统软件设计154.1系统功能设计154.2设计效果说明154.3总体设计与概要说明174.4 系统界面设计184.4.1启动窗体设计184.4.2主界面设计194.4.2.1 主界面菜单设计204.4.2.2 主界面工具按钮设计224.4.2.3 状态栏设计224.4
8、.3 辅助窗体界面设计234.5 功能模块实现264.5.1系统设置程序模块264.5.1.1系统采样周期设置模块264.5.1.2系统采样参数设置模块274.5.2数据采集实现模块284.5.2.1系统配置和初始化模块284.5.2.2主界面功能键模块29结论37致谢38参考文献39第一章 概 述1.1数据采集技术引言 电子技术是这半个世纪以来发展最迅速,应用最广泛的技术学科之一。特别是随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展,数字技术渗透到各个技术领域,各种以数字技术为基础的装置、系统层出不穷,例如,数字仪表、数字控制、数字通讯,数字电视等等。但是自然界中绝大多数物理信号是模拟信号,所以,
9、要想利用数字技术对这些信号进行处理和加工,就必须首先把模拟信号转换成数字信号,然后再把相应的数字信号保存下来,以备进行下一步的处理。如视频信号、音频信号等。由于本世纪是一个信息社会的世纪,也就是一个数字信息的世纪。人们对量化成数字形式的信息需求越来越大。因此近年来数据采集及其应用技术受到人们越来越广泛的关注。 实际上数据采集技术是伴随计算机技术的发展而发展起来的,在计算机诞生之初,计算机的应用领域主要局限于数学计算。并且其性能还不足以进行大规模的数据处理,因此数据采集并未单独成为一门技术而进行研究。但随着科学技术的发展,计算机的性能也随摩尔定律在发展,计算机的应用领域也不再局限于科学计算,而是
10、深入到工业自动化、国防、航天、通信等领域。这就不仅要求把外部模拟量变成数字量,而且要求把数字量保存在一定媒质上,这样就诞生了数据采集这一技术。这一技术起源详细资料请参阅7。1.2 通用串型总线(USB)传输技术优点传统的I/O(输入输出)模式中,外围设备被映像为CPU的I/O地址空间,并被分配一个制定的IRQ(中断请求)或一个DMA信道。这些系统资源被分配给指定的外围设备。外围设备消耗了PC的许多系统资源并使许多系统资源不可实用,并且容易产生冲突,这就造成了许多问题。这些问题涉及到中断请求的分配,I/O地址冲突和设备的灵活性差等。 它将对用户带来很多的不方便。例如,连接不同的设备所需要的不同接
11、口和数据线,扩展卡的安装及配置麻烦,外围设备不能热插拔以及连接器和相关数据线成本较高等等问题。USB作为一种新的解决方案能够克服上述缺点,并能提供新的能力。对于pc用户来说,USB实现了真正的即插即用和热拔插,在多的外设(不超过127个)通过USB集线器就可以实现和计算机的连接。因此,USB技术的提出是基于采用连接技术实现外设的简单连接,达到方便用户、降低成本,扩展PC连接外设的目的,使PC的功能扩展变得非常简单方便,并能最大限度的降低用户对计算机技术的需要,是所有的外设均成为“傻瓜”式设备。对于工业应用来说,USB本身就是一种工业级总线标准,其可靠性等级可以很好的满足工业现场测量控制系统的要
12、求。另外,由于起诉具有的外挂式特点,它可很好的满足工业测量的环境要求、具有抗干扰能力、可抗容易的实现地光电隔离、测量系统的改变和扩展很容易和方便。1.3数据采集技术的分类及本课题采用方案数据采集技术是伴随计算机的发展而发展的。第一种是以单片机为核心的数据采集系统,这种数据采集技术,一般注重数据采集和控制的实时性。除了进行一些简单的数字处理之外,一般不进行大规模的存储、这是由于单片机本身的架构所决定的,而不适合于大量的数据存储。第二种是以计算机为控制核心的数据采集系统,这种数据采集技术根据其传输方式,又分为并行和串行式采集系统。根据安置方式又分为内置和外置式采集系统。外置式采集种数据采集方式不受
13、机箱内电磁辐射的干扰,因此这种数据采集性能稳定,可要求的精度高。见8。数据采集系统将输入的模拟信号转换为数字信号送到微机形成数据文件并进行处理.系统应具有较好的实时性和较高的数据精度及数据完整性,这就要求采集卡A/D转换设备能满足转换精度,转换速率以及抗干扰性能等要求。同时,对A/D转换设备与微机间的数据传输也提出了要求。系统采用USB接口连接微机与数据采集设备,其目的:1.使用方便。可热插拔,且支持PNP(即插即用).2.为PC实时提供数据.3.端口可灵活扩展。可适应不同类型的外设。在外设供电方面具有灵活性.综合上述确定本课题采用外置串行式(USB)采集方案。1.4论文研究内容和目的 本论文
14、涉及数据采集的硬件知识和软件设计。影响数据采集硬件主要因素是A/D转换和数据传输方式。而软件设计要简洁易用。故本文主要研究内容为:一,数据采集设备 包括硬件和软件.要求:采样率100K;数据精度12bit;32路任意单通道采样或连续三通道采样;通过软件设置由用户软件触发;16KB缓冲存储器(FIFO);抗干扰性能较好。二,通用串行总线传输(USB) 采用USB1.1标准接口.包括USB接口电路、固件FIRMWARE)及USB用户驱动程序.USB接口电路把采集到的数据按照USB协议转换为相应的USB数据格式,通过USB总践传送到主机,并接收主机发送的命令。固件完成数据的接收和发送,并按收到的请求
15、执行操作。三,控制软件 控制软件为用户提供USB数据采集设备的操作界面。用户界面要求美观大方,操作简易。使用者通过PC上的此应用软件对数据采集设备及接口设置工作参数,如采集通道,采集速率以及数据采集的触发等。应用软件还将完成数据预处理,分并能在此基础上实现信号显示、处理与存储等功能。第二章 USB技术原理简介 2.1 USB总线的性能及特点 通用串行总线(USB)在连接PC外围设备方面具有很多优于传统连接的特点.其特性包括:1低成本 为了把外设连接到PC机上,USB提供一种低成本的解决方案。2热插拔 设备连接后由USB自动检刻,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。3单一
16、的连接器类型 USB定义了一种简单的连接器,它可以用来连接任何一个USB设备.多个连接器可以通过USB集线器连接。4127个设备 每个USB总线支特127个设备。5不同的传输速率 USB支待低速(1.5M/S),全速(12M/S)以及高速(48M/S)三种速率。6数据线供电 外围设备能够直接通过数据线进行供电.数据线可提供5V, 100mA-500mA的直流电源.7不需要系统资源 需要地址空间以及中断请求线路。8错误监测和恢复 USB事务处理(transition)包括错误检测机制,确保数据无错传输。9节能 如果连续3ms没有总线活动的话,USB就会自动进挂起状态,处于挂起状态的设备消耗的电流
17、不超过500A。10支持四种类型的传输方式 USB定义了四种不间传愉类型来满足不同设备的需求,类型包括:块传输、同步传翰、中断传输和拉制传输。 USB为设备提供了对多种性能的选择以使设备达到较好的性能价格比,并且能适用于不同系统。表2-1按照数据传输率(USB可达)进行了分类,可以看到,USBI.1包括全速和低速的情况,而告诉是USB2.0提供的特性.总的来说,高速、中速的是要求同步的或大量数据的传输的设备,低速的一般是交互设备。 表2-1 USB 按数据传输率分类2.2 USB总线的数据流模型本节介绍了数据如何在USB系统中传送.2.2.1 USB系统的结构USB提供了主机与所连接的USB设
18、备之间的通信功能。不同层次的实现对USB的有不同要求, USB以分层的方式使不同层次的开发者只常要关心USB相关层次的特性功能细节,而不必掌握从硬件结构到软件系统的所有细节。USB系统的结构即总线拓朴(Bus Topology),总线拓朴结构包括四个重要的组成部分:主机和设备:USB系统的基础组成部分。物理拓朴结构:描述USB系统中的各组成部分是如何连接起来的。逻挥拓朴结构:描述USB系统中各种组成部分的地位和作用,以及描述从主机和设备的角度观察到的USB系统。客户软件层与应用层的关系:描述从客户软件层看到的应用层的情况,以及从应用层看到的客户软件层的情况。USB主机的逻辑结构包括:USB主机
19、控制器(USB Host Controller)USB系统软件集合:USB驱动程序,主机控制器的驱动程序,主机软件客户软件USB主机在USB系统中是一个起协调作用的实体,它不仅占有特殊的物理位置,而且对于USB以及连到USB上的设备来说,还负有特殊责任。主机控制所有的对USB的访问.一个USB设备想要访问总线必须由主机给于它使用权.主机还负责监督USB的拓朴结构。一个USB设备的逻辑结构包括USB总线接口USB逻辑设备功能设备总线的物理拓朴结构:USB系统中的设备与主机的连接方式采用的是星形连接,如图2-1,图中的Hub是一组USB的连接点,主机中有一个被嵌入的集线器叫根集线器(root Hu
20、b),主机通过根集线器提供若千个连接点,提供具体应用功能的设备是应用设备。许多不同功能的设备放在一起构成一个复合设备。总线逻辑拓朴结构:在物理结构上,设备通过Hub连到主机上,但在逻辑上,主机是直接与各个逻辑设备通信的,就好象它们是直接被连到主机上一样.这个逻样关系如图2-2所示。Hub也是逻辑设备。USB系统中的工作都是从逻样角度来看持的,但主机必须对物理结构有了解。 图2-1: USB物理总线的拓扑 图2-2 :USB 逻辑总线的拓扑2.2.2 USB的数据流USB是为主机软件和它的USB应用设备间的通信服务的,对客户与应用间不同的交互,USB设备对数据流有不同的要求.USB允许各种不同的
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