信息工程学院毕业论文开题报告
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题 目 基于USB的数据采集系统设计
1.本课题的目的及意义，国内外研究现状分析
1)本课题的目的及意义
数据作为信息的载体遍布我们的生活。随着信息技术的发展，数据的采集逐渐成为人机交互的核心，因此，数据采集卡被广泛的应用于各种场合。目前流行的数据采集卡接口有PCI、485、232、1394等等[1]，经过多年发展这些类型的采集卡技术已经很成熟。但是随着对数据采集要求的提高，对采集卡在传输带宽、采样速率和便捷性等方面的要求也越来越高。
由于传统接口(如PCI、232等)的采集卡安装繁琐、传输速度慢、抗干扰能力弱等问题变得很难适应目前快速高精度的数据采集任务。通用串行总线USB作为近年提出的通信协议，经过短短几年时间从1.1发展到目前流行的2.0及性能更优异的3.0版本，并在世界范围内被广泛的应用在笔记本电脑、PDA、智能手机、工控机等各种设备上。USB 2.0支持最多127个设备，并且不会损失带宽，最高传输速度480Mbps，传输距离可达30m，同时支持热插拔技术[2]。凭借这些优势，基于USB数据采集卡在便捷性等各方面要优于其它类型的采集卡。
如今主流的操作系统(Windows、Linux、Mac OS等)都能够完美支持USB协议，而且基本上所有的计算机主板芯片组都支持USB，这使得USB采集卡的应用范围广大。借助电脑USB端口提供的5V/500mA的电源，可以直接驱动采集卡和部分外部设备，减少了设计难度和生产成本。基于USB的数据采集系统主要是设计一套数据采集系统，通过USB技术实现数据通信和移动存储设备的读写。利用USB总线实现上位机的实时、远程、集中控制，减少人力投入，提高工作效率。
2)USB采集卡国内外研究现状分析
(1)USB采集卡发展现状
USB技术1994年由IBM、Microsoft、NEC等公司提出，目前得到了十分广泛的应用。国内外有多家厂商从事USB芯片的开发和生产，包括CMD、Intel、Cypress、Motorola等国际硬件巨头。生产的产品包括主机控制芯片、集线器芯片、HID芯片、图像传输芯片等各种类型。目前国外大量专业从事USB采集卡研发生产的厂家，比如National Instruments、Alazartech 、SP Devices、GAGE等公司，研发的USB采集卡分辨率从8位到16位，采集速度从10KS/s到800KS/s。例如NI公司生产的USB-9221高速采集卡，其采样精度为8路12位，采样速率高达800KS/s，输入信号范围可达±60V[3]。这些厂商生产的USB采集卡占有大部分市场。国内从事USB采集卡研发的公司有阿尔泰、研华等公司，由于技术起步较晚，产品的性能与国外先进水平有一些差距。现在市场中的USB采集卡涵盖了音频、环境信息、电压/流等信号的采集，同时集成了多路DA以及DI/DO功能，相比较其它的采集卡而言，数字I/O的支持使得USB外围设备控制等方面有巨大优势，在闭环控制系统中USB采集卡能实现数据采集和控制同时进行。随着PCB制作技术和电子技术的发展，目前的USB采集卡在信号抗干扰和噪声抑制方面有了很大的改善。基于USB2.0的数据采集卡在视频接入、音频采集等产业发展迅速，现在的视频监控、安防、专业音频等行业越来越多的采用USB接口的产品[4]。
常见的USB采集传输方式上大体有两类，第一类是通过外置USB芯片，例如串口桥接芯片PL2303、USB接口芯片CH376等。PL2303的原理是通过通用异步接收/发送装置(USART)将在串口信息流与USB信号相互转换后的信号进行传输，实现设备与上位机之间的USB总线通信。这种方法优点是设计方便、电路简单、不需要在采集卡中编写USB控制程序，缺点是传输速度低[5]。CH376则是将系统中的数据通过SPI等总线直接送入到接口芯片处理为USB信息格式，然后与外设和上位机通信。它优点是能较好的支持USB，在传输速度等方面没有限制，缺点是电路复杂、需要在采集卡中编写USB芯片控制程序[6];第二类方式采用的是内置USB接口的MCU，由于内置USB接口，这种方式的'采集卡在设计、性能等方面都优于第一类。
综合设计成本和性能等方面的考虑，两类常见的方式中，使用最广泛的是第一类。但是市面上内置了USB接口的MCU较少，同时目前的USB控制芯片已经高度的智能化和集成化，大多数的控制芯片内置了独立的处理内核和SDRAM，并在底层嵌入了USB通信协议，这使得USB采集卡在驱动程序开发等方面变得更加方便快捷，因此设计人员更多采用的是外置USB芯片。如今的USB采集卡通过内置的片内ROM集成了很多的控制和操作指令，使得使用者在操作和二次开发过程中得到极大的便利。例如NI公司的USB全线产品共用NI-DAQmx驱动程序，同时兼容NI LabVIEW、NI LabWindows/CVI、NI Measurement Studio[7]，这使用户能够快速的进行使用。USB采集卡生产厂商在提供采集卡实物时都会提供相应的驱动程序和程序控制API接口，利用这些接口函数，用户能够使用适合自己的开发环境来配置自己的数据采集系统。
(2)USB采集卡发展趋势
现在的USB数据采集卡不能对外围设备进行读写，这是由于USB总线是一种单向总线，主控制器在主机上，因此USB设备不能与其它外围设备通信[8]。为解决USB设备相互通信的问题，近年USB开发论坛(USB-IF)提出了USB协议的补充协议USB-OTG，应用USB-OTG设备可以突破USB构架的限制，完成HOST/SLAVE的转换，实现不通过PC各种不同设备之间的数据交换[9]。利用USB-HOST，USB采集卡能够建立一个USB主机并将采集的数据直接写入U盘、SD卡等移动设备而不需要上位机支持[10]。这使得USB采集卡在使用场合和使用方式上有了比较大的改变，减少了硬件成本的投入。
USB采集卡近几年已经向智能化、虚拟化、自动化和高精度方面发展。利用USB-OTG进行设备间的通信将会变成未来的主流。而随着USB3.0的推广和更快速度的控制芯片的研发，USB采集卡在采样速率、传输带宽、开发难度等方面有较大优势。
2.本课题的任务、重点内容、实现途径
1) 本课题的任务要求
本课题主要是要求设计制作一套数据采集系统，系统包括数据采集、处理、传输、存储等。其中单片机作为处理单元，USB总线作为传输方式并且系统要求支持读写移动存储设备。详细任务要求如下：
(1)功能要求
输入信号范围0-5V和0-10V两种;单片机系统显示当前测量值;通过USB接口与上位机通信，上传测试数据并在上位PC机显示;同时能将数据发送至单片机接收并显示;可由USB端口直接写入U盘等存储设备，系统的测量精度要求为0.5%。
(2)设计USB数据采集系统的总体方案;
(3)设计并调试系统的硬件;
(4)设计系统的软件，编制单片机系统和上位机系统程序，并完成调试工作;
2) 本课题的重点内容
(1)数据采集、处理电路
数据采集系统能够采集的信号是有限制的，为了增强信号的完整性、减少噪声及抗干扰，必须通过处理电路将需要采集的数据进行放大及滤波[11]。处理电路包括可调增益放大部分和滤波部分，实现对数据的预处理。数据采集电路将数据采集并转换。因此数据转换器的性能决定了整个系统的性能，选择合适的AD转换器十分重要。系统的分辨率、转换速率等性能指标由数据采集电路决定。
(2)USB接口电路
USB接口电路需要专门的USB芯片来实现，例如CH375、CY7C68013等。接口芯片在底层内置了USB通信协议，同时借助于嵌入式的微型处理内核，将USB总线的各种动作简化为命令和API函数，用户使用时只需要调用相应的命令或API即可完成操作。对移动存储设备的读写和数据的传输需要通过USB接口电路完成[12]，但由于从底层开发USB接口的技术复杂，难度较高，因此拟采用封装好的接口模块。系统通过操作接口模块完成移动设备数据读写。
(3)系统程序设计
程序设计的重点内容包括编写移动存储设备文件读写程序和上位机USB驱动设计。移动存储设备文件系统采用的是FAT16或FAT32[13]，系统要读写文件必须设计文件系统的读写代码;上位机采用的是LabView软件编写，而LabView只内置了NI公司的设备驱动，因此要在程序中使用数据采集系统传输的数据就需要编写接口程序[14]。
3) 本课题的实现途径
(1) 系统整体构架
根据任务书中的设计要求，可以绘制出路图1所示的系统整体构架
(2) 电路设计
首先通过查阅资料，了解典型电路的结构，然后在对电路进行修改使适应本课题。对系统要求分析后确定选用的元件类型与型号，使用Protel绘制电路图，同时采用仿真软件进行仿真，最后进行实际测试，修改设计错误。
(3) 软件设计
按结构化设计程序的方式，首先绘制软件流程图，将程序分解为几个独立的功能模块，然后对各个模块进行编程。文件系统读写设计通过阅读开源的代码，并进行移植;上位机的USB接口程序则通过程序向导完成。
(4) 系统调试
系统的设计和调试均按照模块化进行，完成一个独立的模块的硬件和软件后即进行单独调试，最后将整个系统整合进行最后调试。
3.完成本课题所需工作条件(如工具书、计算机、实验、调研等)及解决办法
1)工作条件
(1)工具书
Keil C51、LabView等相关编程资料、书籍。
NI Multisim指导书。
Protel软件指导书籍。
(2)软件
KeilC51编程软件、Protel绘图软件、LabView编程软件、NI Multisim仿真软件。
(3)硬件
单片机、计算机、相关设备及所需元器件等。
2)解决办法
(1)工具书可以通过学校图书馆和网上资源获得。
(2)计算机和相关硬件元器件设备由老师提供或购买。
3)参考文献
[1]百度百科.数据采集卡.[OL].http://baike.baidu.com/view/879914.htm
[2]Janet L.Axelson.USB COMPLETE(Third Edition)[M].WI:Lakeview Research LLC Madison,2005
[3]NIUSB-9221规格 [OL].http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/209877
[4] 曲锋,刘建卓,郭帮辉,王建,刘英,李淳,孙强.基于USB的高精度红外视频采集系统[J].仪器技术与传感器,2011,(3)
[5]文治洪,胡文东,李晓京,王涛.基于PL2303的USB接口设计[J].电子设计工程,2010,18(1)：32-34
[6]陶玉贵,余红英,喻洁.基于DSP和ISP1581的USB数据采集系统设计[J].安徽师范大学学报(自然科学版),2011,34(3)
[7]黄振贤.一种基于USB-6008的简易示波器设计[J].山东理工大学学报(自然科学版),2011,25(1)
[8]蔡国强,黄兴利,慕德俊.USB总线测量平台数据采集系统设计与实现[J].计算机技术与发展,2011,21(6)
[9]丛志威.基于USB OTG技术的数据传输设备研究[D].大连:大连海事大学硕士学位论文,2010.6
[10]辛华峰.USB OTG在数据采集系统中的应用研究[D].吉林:吉林大学硕士学位论文,2005.6
[11]马宗骏,张博,牛大鹏.基于USB的数据采集卡应用[J].物联网技术学术研究Academic Forum,2011:68-70
[12]Janet L.Axelson.USB Mass Storage Designing and Programming Devices and Embedded Hosts[M] .WI:Lakeview Research LLC Madison,2006
[13]孟涛,王福虎.单片机U盘控制器的设计与实现[J].舰船防化,2010,(2):20-24
[14]谢巍,侯丽伟,许春,潘鸣.基于LabView及USB的通用图像采集软件设计[J].科学技术与工程,2011,11(16)
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