基于USB数据采集卡软件设计

XXXXXXXXXXX本科毕业论文 基于USB数据采集卡的软硬件设计

毕 业 论 文

学生姓名： X X 学 号： XXXXXX 学 院： XXXXXXXXXXXXX学院 专业年级： XXXXXXXXXX

题 目： 基于USB数据采集卡软硬件设计

指导教师： XXXXX 工程师

评阅教师： XXXX 讲师

2010 年 5月

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摘 要

随着数据采集在现代军事及科学研究中的重要地位日益突出，人们对数据采集设备要求也不断提高。在信号测量、图像处理、音频信号处理等一些高速、高精度的测量中，都需要进行高性能数据采集。现在通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，这些采集卡存在不少缺点，如安装烦琐，价格昂贵，尤其是受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差。

通用串行总线(Universal Serial Bus简称USB)克服了上述问题。它是1994年底由Compaq、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的计算机与外围设备之间的一种新式标准接口总线。USB总线具有快速、可靠、可扩展、即插即用等特点。USB协议中，数据的传输速率很高，这就使通过 USB实现快速传递大容量数据的外设成为现实。

本文基于USB设计了一数据采集系统，并在Labview软件中实现数据仿真，模拟实现利用USB技术进行数据采集的功能。

【关键词】 USB 固件 设备驱动 数据采集 实时时钟

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Title USB data acquisition card based on software and hardware design

Abstract

Data acquisition plays a more and more important role in modem industry and scientific research, According to it, the requirements of data acquisition device get highly improved．High-performancedata acquisition is needed in some high speed and high precision measurements when signal measurements,image manipulation and audio frequency signalprocess are taken.Incurrent,high—speed acquisition modules are mostly based on PCI bus Or ISA bus. But they have obvious such as not to and are restricted to disadvantages easy fix，high cost and especially they are restricted to the slot number, address and interrupt resources．

Universal Serial Bus (USB) Universal disproved Bus referred to overcome these problems. It was the end of 1994 by IBM, Compaq, Microsoft etc. Many companies and joint computer peripheral equipment, a new type of standard interface buses. USB is fast, reliable, extensible, plug and play, etc. USB protocol, data transmission rate high, it will make the USB realize rapid transfer capacity data peripherals to become a reality.

This paper designs a data acquisition card which is based on the USB, and the card can realize the data acquisition, real-time of the liquid crystal display, data storage and USB serial communication.

Keywords ：USB; Firmware; Device driver; Data Acquisition; Real Time Clock

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目录

1 绪论 ?????????????????????????????? 1 1.1 引言 ????????????????????????????? 1 1.2 选题背景和研究意义 ?????????????????????? 1 1.3 USB的应用概述????????????????????????? 2 1.4 本文所做的工作 ???????????????????????? 2 2 USB及所用软件介绍 ??????????????????????? 3 2.1 USB介绍 ??????????????????????????? 3 2.2 labview软件 ????????????????????????? 6 2.3 Protel DXP软件介绍?????????????????????? 9 3 USB数据采集卡硬件设计 ?????????????????????11 3.1 USB数据采集卡功能???????????????????????11 3.2 数据采集原理及系统结构 ????????????????????12 3.3 采集系统硬件模块 ???????????????????????20 3.4 技术指标及电路原理图设计 ???????????????????23 4 USB数据采集卡软件设计 ?????????????????????27 4.1 固件程序 ???????????????????????????28 4.2 设备请求处理 ?????????????????????????30 4.3 A/D转换控制子函数 ??????????????????????31 4.4 USB描述符???????????????????????????31 4.5 上位机程序设计???????????????????????? 32 5 仿真 ??????????????????????????????33 结论 ???????????????????????????????35 致谢 ???????????????????????????????36 参考文献????????????????????????????? 37 附录????????????????????????????????????38 附图????????????????????????????????????48

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1 绪论

1．1 引言

长期以来，在工业生产和科学技术研究过程的各行业中，常常要对各种数据进行数据采集，通常使用的有ISA、PCI 等数据采集卡，这种方式存在安装麻烦，价格贵等缺点。而目前采用的USB总线接口具有许多总线所无法实现的优势，如支持即插即用，具有热插拔，可以通过主机为设备提供电源，接口简单，单元体积小，只需要一根USB电缆即可。因此本文设计了一种基于USB 通信数据采集卡的系统。

1．2 选题背景和研究意义

随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制中已成为必不可少的。这就给现代USB技术提出了两个方面的要求：一方面，要求接口简单灵活且有较高的数据传输率；另一方面，由于数据量通常都较大，要求主机能够对实时数据做出快速响应，并及时进行分析和处理。随着信息化带动工业化进程的逐步深入，电子计算机信息技术的不断发展和完善，采用USB实现的数据采集系统的应用越来越多。

传统的外设与主机的通信接口难以满足上述各个方面的要求。USB技术正是顺应这一要求提出的，它具有较高的传输速度，实现了真正意义上的“即插即用”(Plug&Play)，同时USB上最多可以连接127个外设。因此，将USB技术应用于数据采集是非常适合的。

数据采集及存储系统是数字信号处理系统的重要环节,高速数据传输对提高整个系统的性能有着巨大意义,利用USB总线进行高速传输,解决了数据传输中的速度瓶颈问题。数据采集系统的应用已经深入到数字信号处理的各个领域中。USB总线由于其速度快、可靠性好、成本低、兼容性强等特点,在各种计算机总线标准中占主导地位,基于USB总线标准的接口设计已成为相关项目开发中的优先选择。

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1．3 USB的应用概述

USB是英文Universal Serial BUS的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的接口技术。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。不过直到近期，它才得到广泛地应用。从1994年11月11日发表了USB V0.7版本以后，USB版本经历了多年的发展，到现在已经发展为2.0版本，成为目前电脑中的标准扩展接口。目前主板中主要是采用USB1.1和USB2.0，各USB版本间能很好的兼容。USB用一个4针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，主板上也安装有USB接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上还预留有USB插针，可以通过连线接到机箱前面作为前置USB接口以方便使用（注意，在接线时要仔细阅读主板说明书并按图连接，千万不可接错而使设备损坏）。而且USB接口还可以通过专门的USB连机线实现双机互连，并可以通过Hub扩展出更多的接口。USB具有传输速度快，使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等，几乎所有的外部设备。

1．4 本文所做的工作

本文首先概述了USB数据采集卡在设计过程中引入的相关新技术，然后针对该数据采集模块的特点与要求，详细论述了其组成与工作原理，以及仿真结果实现。最后给出了该数据采集模块进行数据采集时的部分波形和软件界面。 （1）设计了基于USB的数据采集系统的硬件系统； （2）仿真了USB接口芯片和其它芯片之间的通信接口； （3）基于USB 协议，编写了固件程序； （4）编写了简单的主机应用程序；

（5）编写了数据采集卡的USB设备驱动程序。

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2 USB及所用软件介绍

2．1 USB介绍

USB总线规范是为实现计算机和通信集成而提出的一种用于扩充PC体系结构的工业标准。基于USB接口的高性能数据采集模块，充分利用了USB总线和虚拟仪器技术的优点，必将被越来越多的用户所接受。

主机 互联 USB设备 客户软件 功能单元 功能层 USB系统软件 USB逻辑设备 USB设备层 USB总线接口 USB总线接口 USB总线接口层 实际通信流 逻辑通信流

图2.1 USB系统的分层

2.1.1 USB概述

通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是计算机与外围设备之间的一种新式标准接口总线。USB具有以下几方面的优点：

1)易用性。USB支持热插拔和即插即用。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机将并口或串口电缆接上再开机”这样的动作，而是直接在电脑工作时，就可以将USB电缆插上使用。

2)可扩展性。USB在个人电脑上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有四个端口的USB HUB时，就可以再连上；四个USB设备，以此类

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推，尽可以连下去，将你家的设备都同时连在一台个人电脑上而不会有任何问题。

3)快速性。USB规定了两种传输速率：低速传输和全速传输。低速传输的速率是1．5Mbps，全速是12Mbps。这不但远远高于传统的串口传输速率，也比并口传输快了好多倍。

4)可靠性。USB的可靠性来自硬件设计和USB数据传输协议两方面的保证。USB驱动器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声； USB协议使用了差错校验和数据重传机制，可以最大程度保证数据传输的准确性。

5) 内置电源。USB总线内置电源线，可以给外设提供5v和最多500mA的电源供应，满足大部分低功耗外设的电源要求。

6）携带方便。USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样20G的硬盘，USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然USB硬盘会是首要之选了。

7）标准统一。大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。

2.1.2 USB总线技术简介

USB接口只有4根线如图2.2所示。其中D+和D-是一对差模的信号线而VBus 和GND则提供了5V的电源。

1# +5V D+ D-- ESATA USB 7# GND 图2.2 USB接口

USB设备分成Hub设备和功能设备两种。Hub殴备即集线器，是USB即插即 用

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技术中的核心部分，完成USB设备的添加、插拔检测和电源管理等功能。功能设备能在总线上发送和接收数据和控制信息。

USB硬件部分包括USB主机、USB设备(Hub和功能设备)和连接电缆。USB主机是一个带有USB主控制器的PC机。USB主控制器／根Hub分别完成对传输的初始化和设备的接入。USB Hubs除了根Hub外，为了接入更多的设备，需要其他USB Hubs。连接电缆有两种，用于全速通信的包有防护物的双绞线和用于低速通信的不带防护物的非双绞线。

控制 PC USB 接 口 USB D+ 控 D- 制 数据 电 平 转 换 串行EEPROM 测试电路接口

图2.3 USB总线控制框图

实际的数据传输过程如下：

设备驱动程序通过对USB接口(USB driver interface)的调用发出输入输 出请求(IRP，I／0Reques L Packet)；USB驱动程序接到请求后调用HCD接口(host controller driver interface)，将IRP转化为USB的传输(transfer)，一个IRP可以包含一个或多个USB传输；然后HCD将USB传输分解为总线操作(transaction)，由主控制器以包(packet)的形式发出。需要注意的是，所有的数据传输都是由主机开始的，任何外设都无权丌始一个传输。

USB提供了四种传输方式：控制传输、同步传输、中断传输、批传输。它们在数据格式、传输方向、数据包容量限制、总线访问限制等方面有着各自不同的特征。控制传输是双向的，主要用于没备配置，也可作设备的其他特殊用途。批

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(Bulk)传输可以是单向或双向。用于传送大批数据。其典型应用是扫描仪的静态图片输入。中断传输是单向的，且仪输入到主机，它用于不固定的少量的数据传送。USB的中断是查询类型的。等时(Isochronous)(同步)传输可以是单向或双向，用于传送连续性、实时的数据。

USB的所有总线操作都可以归结为三种包的传输。任何操作都是从主机开始的，主机以预先排好的时序，发出一个描述操作类型、方向、外设地址以及端点号的包，我们称之为令牌包(Token Packet)。然后在令牌中指定的数据发送者发出一个数据包或者指出它没有数据可以传输。而数据的目的地一般要以一个确认包(Handshake Packet)做出响应以表明传输是否成功。包是组成USB 交换的基本单位，USB总线上的每一次交换至少需要3个包才能完成。

2.2 labview技术

2.2.1 虚拟仪器概述

虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。

被测对象信号调理数据采集卡数据处理 虚拟仪器面板

图 2.4 虚拟仪器的设计方案框图

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虚拟仪器的主要特点有：

1、尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。

2、可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。

3、用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。

普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。

虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。

2.2.2 LabVIEW介绍

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

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图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。

2.2.3 LabVIEW的运行机制

（1）LabVIEW应用程序的构成

所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括面板（panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。

（2）面板

面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。

图2.5 随机信号发生器前面板

控制对象(输入) 显示对象 (输出) VI与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流

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程图上的东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用VI可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。VI具有层次化和结构化的特征。

函数：随机数 发生器 与前面板控件对应的连线端子 与前面板控件对应的连线端子

结构：循环

图2.6 随机信号发生器的后面板

2．3 Protel DXP软件介绍

Altium公司作为EDA领域里的一个领先公司，在原来Protel DXP的基础上，应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于Windows2000和Windows XP操作系统的EDA设计软件Protel DXP。Protel DXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。Protel DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供了全面的设计解决方案。

Protel DXP 不仅是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而且是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印

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制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。下图为它的操作界面。

PCB的制图的步骤：先把设计好的图纸上的图形在Protel软件上支撑电路原理图，然后根据原理图生成PCB板图，再次对板图的器件进行布局、布线，尽量把板的面积弄到最小、最经济。

图2.7 Protel DXP的操作界面

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3 USB数据采集卡硬件设计

3．1 USB数据采集卡功能

一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。

模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关（MUX）、放大器、采样保持电路以及A/D来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的A/D。

模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（D/A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。如果用D/A的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的D/A，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。应该根据实际需要选择D/A的参数指标。

数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括：数字口路数（line）、接收 (发送 )率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等用电器，就不必用较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线。路数、数据转换速率、“握手”能力都是应理解的重要参数，应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字I/O。

计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号——使计数器工作或不工作；计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。

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