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題 目 基於USB的數據採集系統設計
1.本課題的目的及意義，國內外研究現狀分析
1)本課題的目的及意義
數據作爲資訊的載體遍佈我們的生活。隨着資訊技術的發展，數據的採集逐漸成爲人機交互的核心，因此，數據採集卡被廣泛的應用於各種場合。目前流行的數據採集卡接口有PCI、485、232、1394等等[1]，經過多年發展這些類型的採集卡技術已經很成熟。但是隨着對數據採集要求的提高，對採集卡在傳輸帶寬、採樣速率和便捷性等方面的要求也越來越高。
由於傳統接口(如PCI、232等)的採集卡安裝繁瑣、傳輸速度慢、抗干擾能力弱等問題變得很難適應目前快速高精度的數據採集任務。通用串行總線USB作爲近年提出的通信協議，經過短短几年時間從1.1發展到目前流行的2.0及性能更優異的3.0版本，並在世界範圍內被廣泛的應用在筆記本電腦、PDA、智能手機、工控機等各種設備上。USB 2.0支援最多127個設備，並且不會損失帶寬，最高傳輸速度480Mbps，傳輸距離可達30m，同時支援熱插拔技術[2]。憑藉這些優勢，基於USB數據採集卡在便捷性等各方面要優於其它類型的採集卡。
如今主流的操作系統(Windows、Linux、Mac OS等)都能夠完美支援USB協議，而且基本上所有的計算機主板芯片組都支援USB，這使得USB採集卡的應用範圍廣大。藉助電腦USB端口提供的5V/500mA的電源，可以直接驅動採集卡和部分外部設備，減少了設計難度和生產成本。基於USB的數據採集系統主要是設計一套數據採集系統，透過USB技術實現數據通信和移動存儲設備的讀寫。利用USB總線實現上位機的實時、遠程、集中控制，減少人力投入，提高工作效率。
2)USB採集卡國內外研究現狀分析
(1)USB採集卡發展現狀
USB技術1994年由IBM、Microsoft、NEC等公司提出，目前得到了十分廣泛的應用。國內外有多家廠商從事USB芯片的開發和生產，包括CMD、Intel、Cypress、Motorola等國際硬件巨頭。生產的產品包括主機控制芯片、集線器芯片、HID芯片、圖像傳輸芯片等各種類型。目前國外大量專業從事USB採集卡研發生產的廠家，比如National Instruments、Alazartech 、SP Devices、GAGE等公司，研發的USB採集卡分辨率從8位到16位，採集速度從10KS/s到800KS/s。例如NI公司生產的USB-9221高速採集卡，其採樣精度爲8路12位，採樣速率高達800KS/s，輸入信號範圍可達±60V[3]。這些廠商生產的USB採集卡佔有大部分市場。國內從事USB採集卡研發的公司有阿爾泰、研華等公司，由於技術起步較晚，產品的性能與國外先進水平有一些差距。現在市場中的USB採集卡涵蓋了音頻、環境資訊、電壓/流等信號的採集，同時集成了多路DA以及DI/DO功能，相比較其它的採集卡而言，數字I/O的支援使得USB外圍設備控制等方面有巨大優勢，在閉環控制系統中USB採集卡能實現數據採集和控制同時進行。隨着PCB製作技術和電子技術的發展，目前的USB採集卡在信號抗干擾和噪聲抑制方面有了很大的改善。基於USB2.0的數據採集卡在視頻接入、音頻採集等產業發展迅速，現在的視頻監控、安防、專業音頻等行業越來越多的採用USB接口的產品[4]。
常見的USB採集傳輸方式上大體有兩類，第一類是透過外置USB芯片，例如串口橋接芯片PL2303、USB接口芯片CH376等。PL2303的原理是透過通用異步接收/發送裝置(USART)將在串口資訊流與USB信號相互轉換後的信號進行傳輸，實現設備與上位機之間的USB總線通信。這種方法優點是設計方便、電路簡單、不需要在採集卡中編寫USB控制程序，缺點是傳輸速度低[5]。CH376則是將系統中的數據透過SPI等總線直接送入到接口芯片處理爲USB資訊格式，然後與外設和上位機通信。它優點是能較好的支援USB，在傳輸速度等方面沒有限制，缺點是電路複雜、需要在採集卡中編寫USB芯片控制程序[6];第二類方式採用的是內置USB接口的MCU，由於內置USB接口，這種方式的'採集卡在設計、性能等方面都優於第一類。
綜合設計成本和性能等方面的考慮，兩類常見的方式中，使用最廣泛的是第一類。但是市面上內置了USB接口的MCU較少，同時目前的USB控制芯片已經高度的智能化和集成化，大多數的控制芯片內置了獨立的處理內核和SDRAM，並在底層嵌入了USB通信協議，這使得USB採集卡在驅動程序開發等方面變得更加方便快捷，因此設計人員更多采用的是外置USB芯片。如今的USB採集卡透過內置的片內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開發過程中得到極大的便利。例如NI公司的USB全線產品共用NI-DAQmx驅動程序，同時相容NI LabVIEW、NI LabWindows/CVI、NI Measurement Studio[7]，這使用戶能夠快速的進行使用。USB採集卡生產廠商在提供採集卡實物時都會提供相應的驅動程序和程序控制API接口，利用這些接口函數，用戶能夠使用適合自己的開發環境來配置自己的數據採集系統。
(2)USB採集卡發展趨勢
現在的USB數據採集卡不能對外圍設備進行讀寫，這是由於USB總線是一種單向總線，主控制器在主機上，因此USB設備不能與其它外圍設備通信[8]。爲解決USB設備相互通信的問題，近年USB開發論壇(USB-IF)提出了USB協議的補充協議USB-OTG，應用USB-OTG設備可以突破USB構架的限制，完成HOST/SLAVE的轉換，實現不透過PC各種不同設備之間的數據交換[9]。利用USB-HOST，USB採集卡能夠建立一個USB主機並將採集的數據直接寫入U盤、SD卡等移動設備而不需要上位機支援[10]。這使得USB採集卡在使用場合和使用方式上有了比較大的改變，減少了硬件成本的投入。
USB採集卡近幾年已經向智能化、虛擬化、自動化和高精度方面發展。利用USB-OTG進行設備間的通信將會變成未來的主流。而隨着USB3.0的推廣和更快速度的控制芯片的研發，USB採集卡在採樣速率、傳輸帶寬、開發難度等方面有較大優勢。
2.本課題的任務、重點內容、實現途徑
1) 本課題的任務要求
本課題主要是要求設計製作一套數據採集系統，系統包括數據採集、處理、傳輸、存儲等。其中單片機作爲處理單元，USB總線作爲傳輸方式並且系統要求支援讀寫移動存儲設備。詳細任務要求如下：
(1)功能要求
輸入信號範圍0-5V和0-10V兩種;單片機系統顯示當前測量值;透過USB接口與上位機通信，上傳測試數據並在上位PC機顯示;同時能將數據發送至單片機接收並顯示;可由USB端口直接寫入U盤等存儲設備，系統的測量精度要求爲0.5%。
(2)設計USB數據採集系統的總體方案;
(3)設計並調試系統的硬件;
(4)設計系統的軟件，編制單片機系統和上位機系統程序，並完成調試工作;
2) 本課題的重點內容
(1)數據採集、處理電路
數據採集系統能夠採集的信號是有限制的，爲了增強信號的完整性、減少噪聲及抗干擾，必須透過處理電路將需要採集的數據進行放大及濾波[11]。處理電路包括可調增益放大部分和濾波部分，實現對數據的預處理。數據採集電路將數據採集並轉換。因此數據轉換器的性能決定了整個系統的性能，選擇合適的AD轉換器十分重要。系統的分辨率、轉換速率等性能指標由數據採集電路決定。
(2)USB接口電路
USB接口電路需要專門的USB芯片來實現，例如CH375、CY7C68013等。接口芯片在底層內置了USB通信協議，同時藉助於嵌入式的微型處理內核，將USB總線的各種動作簡化爲命令和API函數，用戶使用時只需要調用相應的命令或API即可完成操作。對移動存儲設備的讀寫和數據的傳輸需要透過USB接口電路完成[12]，但由於從底層開發USB接口的技術複雜，難度較高，因此擬採用封裝好的接口模組。系統透過操作接口模組完成移動設備數據讀寫。
(3)系統程序設計
程序設計的重點內容包括編寫移動存儲設備檔案讀寫程序和上位機USB驅動設計。移動存儲設備檔案系統採用的是FAT16或FAT32[13]，系統要讀寫檔案必須設計檔案系統的讀寫代碼;上位機採用的是LabView軟件編寫，而LabView只內置了NI公司的設備驅動，因此要在程序中使用數據採集系統傳輸的數據就需要編寫接口程序[14]。
3) 本課題的實現途徑
(1) 系統整體構架
根據任務書中的設計要求，可以繪製出路圖1所示的系統整體構架
(2) 電路設計
首先透過查閱資料，瞭解典型電路的結構，然後在對電路進行修改使適應本課題。對系統要求分析後確定選用的元件類型與型號，使用Protel繪製電路圖，同時採用仿真軟件進行仿真，最後進行實際測試，修改設計錯誤。
(3) 軟件設計
按結構化設計程序的方式，首先繪製軟件流程圖，將程序分解爲幾個獨立的功能模組，然後對各個模組進行編程。檔案系統讀寫設計透過閱讀開源的代碼，並進行移植;上位機的USB接口程序則透過程序嚮導完成。
(4) 系統調試
系統的設計和調試均按照模組化進行，完成一個獨立的模組的硬件和軟件後即進行單獨調試，最後將整個系統整合進行最後調試。
3.完成本課題所需工作條件(如工具書、計算機、實驗、調研等)及解決辦法
1)工作條件
(1)工具書
Keil C51、LabView等相關編程資料、書籍。
NI Multisim指導書。
Protel軟件指導書籍。
(2)軟件
KeilC51編程軟件、Protel繪圖軟件、LabView編程軟件、NI Multisim仿真軟件。
(3)硬件
單片機、計算機、相關設備及所需元器件等。
2)解決辦法
(1)工具書可以透過學校圖書館和網上資源獲得。
(2)計算機和相關硬件元器件設備由老師提供或購買。
3)參考文獻
[1]百度百科.數據採集卡.[OL]://
[2]Janet COMPLETE(Third Edition)[M]:Lakeview Research LLC Madison,2005
[3]NIUSB-9221規格 [OL]://
[4] 曲鋒,劉建卓,郭幫輝,王建,劉英,李淳,孫強.基於USB的高精度紅外視頻採集系統[J].儀器技術與傳感器,2011,(3)
[5]文治洪,胡文東,李曉京,王濤.基於PL2303的USB接口設計[J].電子設計工程,2010,18(1)：32-34
[6]陶玉貴,餘紅英,喻潔.基於DSP和ISP1581的USB數據採集系統設計[J].安徽師範大學學報(自然科學版),2011,34(3)
[7]黃振賢.一種基於USB-6008的簡易示波器設計[J].山東理工大學學報(自然科學版),2011,25(1)
[8]蔡國強,黃興利,慕德俊總線測量平臺數據採集系統設計與實現[J].計算機技術與發展,2011,21(6)
[9]叢志威.基於USB OTG技術的數據傳輸設備研究[D].大連:大連海事大學碩士學位論文,2010.6
[10]辛華峯 OTG在數據採集系統中的應用研究[D].吉林:吉林大學碩士學位論文,2005.6
[11]馬宗駿,張博,牛大鵬.基於USB的數據採集卡應用[J].物聯網技術學術研究Academic Forum,2011:68-70
[12]Janet Mass Storage Designing and Programming Devices and Embedded Hosts[M] :Lakeview Research LLC Madison,2006
[13]孟濤,王福虎.單片機U盤控制器的設計與實現[J].艦船防化,2010,(2):20-24
[14]謝巍,侯麗偉,許春,潘鳴.基於LabView及USB的通用圖像採集軟件設計[J].科學技術與工程,2011,11(16)