XXXXXXXXXXX本科毕业论文 基于USB数据采集卡的软硬件设计?
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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