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基于USB高速接口数据采集控制.rar

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    编号:20181030002152544    类型:共享资源    大小:51.93MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    基于 USB 高速 接口 数据 采集 控制
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    摘 要 摘 要 随着现代工业领域和科研方面对数据采集的要求越来越高,高速实时采集数据系统的需求越来越大。传统上,是以采用数据采集卡为主,而其传输速度慢,安装麻烦,抗干扰能力弱等诸多问题已经难以适应目前的高速实时采集数据的要求。通用串行总线 USB 由于其速度快,支持热插拔及传输线少等优点,因此将 USB应用于数据采集系统能够很好的弥补传统数据采集卡的不足,具有广泛的应用价值。 本文针对 USB 系统软件开发这一问题,首先,介绍 USB 数据采集系统硬件部分的电路设计,对其硬件结构和实现的功能进行详细的了解;其次,介绍 USB 传输协议,掌握其数据传输的结构和模式,并了解在基于 Keil 的开发环境,进行固件程序设计和在基于 Microsoft Driver Studio 的开发环境下,进行驱动程序的开发的意义;接着,就是基于 VC++开发环境的应用程序的开发,设计应用界面,并实现设备的识别,数据的采集,数据的波形显示及图形的保存等功能,以便更好地实现人机交互;最后,本文通过在 PC 机上连接上基于 USB 的光信号采集系统,进行 USB 高速接口数据采集开发软件的测试,在设计的数据采集界面上能够动态实时地显示光强弱的波形图。测试结果表明 USB 数据采集系统能够进行高速数据采集。 关键词:CDD位移传感器 高速数据采集 USB ABSTRACT ABSTRACT As the demand to data acquisition is more and more high in modem industry field,the traditional method which mainly makes use of data acquisition card has not adapted to the high requirement of modem data acquisition because of the low transmission speed 、 inconvenient installation 、 weak ability of anti-jamming and other problems. USB(Universal Serial Bus)has many advantages, such as high transmission speed、 sustaining hot plug and few transmission lines. So the application of USB in data acquisition system can be the solution of the deficiency of traditional data acquisition system, and it will has widely application value. Aiming at this problem of USB System Software Development, this paper firstly introduces Circuit design of data acquisition system hardware parts, which are understood systematically about its structure and implementation of the hardware functions; secondly ,Introduces USB transfer protocol, and grasps the structure and mode of data transmission, so that understand the meanings of firmware program design through the software of Keil and the USB diver program generated automatically by Driver Works and modified appropriately; then, introduces the user program of PC which includes application interface design, recognition devices, data acquisition, waveform display and graphics saved and so on, in order to better achieve human-computer interaction. Finally, this paper makes High-speed interface of USB data acquisition software development testing by the USB optical signal acquisition system based on the PC, In the design of real-time data acquisition interface to dynamically display the strength of the light waveforms, the test results indicate that the USB data acquisition system enables high-speed data acquisition. Keyword: CDD displacement sensor high-speed data acquisition USB 目 录 i 目 录 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论 绪论 ................................................................................................................... 1 1.1 高速数据采集概述 ........................................................................................... 1 1.2 USB 高速数据采集系统 .................................................................................. 1 1.2.1 传统采集系统 ......................................................................................... 1 1.2.2 USB 高速采集系统 ................................................................................ 1 1.3 基于 USB 的线阵 CCD 数据采集系统 ........................................................... 2 1.3.1 CCD 的基本概念 ................................................................................... 2 1.3.2 基于 USB 的线阵 CCD 传输系统 ......................................................... 3 1.4 USB 高速接口数据采集控制软件研究的内容 .............................................. 3 第二章第二章第二章第二章 USB 接口协议接口协议接口协议接口协议 .................................................................................................. 5 2.1 USB 的发展史 .................................................................................................. 5 2.2 USB 总线协议 .................................................................................................. 5 2.2.1 USB 总线结构 ........................................................................................ 5 2.2.2 USB 事务处理 ........................................................................................ 7 2.2.3 USB 数据传输类型 .............................................................................. 12 2.3 USB 开发 ........................................................................................................ 13 2.3.1 USB 设备 .............................................................................................. 14 2.3.2 USB 描述符 .......................................................................................... 15 2.3.2 USB 设备请求 ...................................................................................... 18 2.3.2 USB 软件系统开发 .............................................................................. 19 第三章第三章第三章第三章 基于基于基于 基于 USB 的的的 的 TCD1209 线阵线阵线阵 线阵 CCD 传输系统传输系统传输系统传输系统 .............................................. 23 3.1 线阵 CCD 传输系统 ...................................................................................... 23 3.2 TCD1209 CCD 传感器 .................................................................................. 23 3.3 基于 USB 的 TCD1209 线阵 CCD 的设计 ................................................... 25 3.3.1 CCD 前端采集模块 ............................................................................. 25 3.3.2 CCD 后端采集模块 ............................................................................. 27 ii 目 录 第四章第四章第四章第四章 USB 高速采集应用界面的开发高速采集应用界面的开发高速采集应用界面的开发高速采集应用界面的开发 .................................................................... 29 4.1 基于 USB 的 TCD1209 CCD 的高速采集界面 ............................................. 29 4.2 MFC 消息机制 ............................................................................................... 30 4.3 USB 高速数据采集软件应用程序 ................................................................ 31 4.3.1 DLL 库的调用 ...................................................................................... 31 4.3.2 高速实时数据采集 ............................................................................... 33 4.3.3 波形的保存 ........................................................................................... 36 4.3.4 接收数据的保存 ................................................................................... 38 第五章第五章第五章第五章 结论结论结论 结论 ................................................................................................................. 39 5.1 测试结果 ......................................................................................................... 39 5.2 总结 ................................................................................................................. 41 5.3 高速采集系统的改进 ..................................................................................... 41 致谢致谢致谢 致谢 ................................................................................................................................. 43 参考文献参考文献参考文献参考文献 ......................................................................................................................... 45 附录附录附录 附录 A ............................................................................................................................. 48 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 高速数据采集概述 现代工业生产领域和科学研究中往往都需要采集数据,并对采集到的数据进行分析和处理。随着科技的发展特别是计算机技术的逐渐成熟,数据采集系统的应用已经非常广泛,同时对于数据采集的要求也越来越高,特别是在一些高实时性要求的场合,如在信号测量,图像处理,音频信号处理等一些高速,高精度测量中,往往需要进行高速数据采集才能保证数据传输的准确性。 与低速和中速采集系统相比,高速数据采集系统内部集成了高速电路,而且当采样频率高到一般系统很难用软件和常规的微机接口对采样、转换过程进行控制时,高速采集系统能够用硬件实现转换过程的控制和采样数据的同步;同时,采用高速缓存对数据进行存储和利用 DSP 芯片完成数字信号的实时处理,从而,能够更好地保证数据采集的实时性。高速采集系统主要用于采集和转换外部的模拟信号,然后将采集到的数据发送到计算机并进行相关的数据处理。 1.2 USB 高速数据采集系统 1.2.1 传统采集系统 传统的数据采集 [1]方式包括:安装数据采集板卡、并口采集数据、串口采集数据等。其中常用的是安装数据采集板卡的方法,其缺点在于:安装麻烦,每次都需要关机后打开机箱才能插入板卡;受到计算机插槽数量和地址、中断资源的限制,不能外接很多设备;机箱环境的干扰可能导致通讯过程中产生错误。随着现代计算机技术的发展,通用计算机的外设接口发生了很大变化,并口、串口等传统接口已逐渐不再使用,从而导致传统采集方式逐步被淘汰。 1.2.2 USB 高速采集系统 USB( Universal Serial Bus,通用串行总线) [2]作为计算机上的一种高效,快速,价格低廉的新型串行通信接口,近年来开始在计算机外设中得到普及,并逐2 USB 高速接口数据采集控制软件卡开发 渐成为计算机标准外设,它的出现使传统数据采集的问题可以得到很好的解决。与传统的计算机接口相比,其小巧的接口顺应了计算机和外部设备小型化的发展趋势;其共享式接口使一个 USB 主控制器最多可以连接 126 个外设,大大拓展了计算机的外部功能扩展力;其支持即插即用和热插拔的特性使得 USB 自动配置,连接设备不需要重新启动计算机并且用户也可以随时断开 USB 设备与计算机的连接,而不会损坏计算机和外部设备;支持三种传输速率(低速 1.5Mbit/s,全速12Mbit/s,高速 480Mbit/s)和四种传输模式 (块传输,中断传输,同步传输,控制传输 ),使其满足不同外设的功能设备,从而使应用更广泛;电源可从计算机或集线器获得,不需要外加电。 USB 设备在 PC 领域的应用目前已经非常普遍,如 USB数码照相机、 USB 摄像头、 USB 打印机等,考虑到 USB 的各种优势,基于 USB总线的数据采集系统也正逐渐成为工控领域的应用热点。目前国内外都已开发出了一些成熟的 USB 数据采集设备产品,可见基于 USB 的数据采集系统具有广阔的应用前景,因此本课题的研究具有现实意义。 1.3 基于 USB 的线阵 CCD 数据采集系统 随着信息技术的发展 ,图像传感器越来越多的应用在科学研究和生产生活中 ,目前使用的主要是 CCD 图像传感器和 CMOS 图像传感器。其中以 CCD 为采集数据源的图像采集技术取得了长足的进步,作为高性能的光电图像传感器以其优良的性能广泛应用于遥感成像、高精测量、景物鉴别、图文传真和工业检测控制等领域。 而我们所设计的图像采集系统如果能够完成对 CCD 所采集到的图像进行实时的显示并存储等基本功能,将有助于采集数据的研究和图像的处理。 1.3.1 CCD 的基本概念 CCD( Charge-coupled Device)即电荷耦合元件 ,也称为 CCD 图像传感器。CCD 是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号。 CCD 上植入了称作像素( Pixel)的微小光敏物质。一块 CCD 上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。 CCD 的作用就像胶片一样,但它是把光信号转换成电荷信号。 CCD上有许多排列整齐的光电二极管,能感应光线,并将光信号转变成电信号,经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。 第一章 绪论 3 CCD 从功能上可分为线阵 CCD 和面阵 CCD 两大类。线阵 CCD 通常将 CCD 内部电极分成数组,每组称为一相,并施加同样的时钟脉冲。所需相数由 CCD 芯片内部结构决定,结构相异的 CCD 可满足不同场合的使用要求。线阵 CCD 有单沟道和双沟道之分,其光敏区是 MOS 电容或光敏二极管结构,生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成,特点是处理信息速度快,外围电路简单,易实现实时控制,但获取信息量小,不能处理复杂的图像。面阵 CCD 的结构要复杂得多,它由很多光敏区排列成一个方阵,并以一定的形式连接成一个器件,获取信息量大,能处理复杂的图像。 1.3.2 基于 USB 的线阵 CCD 传输系统 CCD 图像传感器 [3]能够将光学信号转换为模拟电流信号,电流信号经过放大和模数转换,实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。由于其具有高速、实时、精确等优点,并且其测量精度高,能自动连续地进行检测,所以已广泛用于各种非接触测量领域。 目前线阵 CCD 传感器已成功应用于高速位移测量上 , 但是在数据传输方面主要是用串口,串口虽然设计简单易行 , 但是其数据传输速率较慢 , 远远满足不了高速实时测量时大容量数据传输的要求 ,而 USB 接口传输速度比较快、简单易携带、便于扩展等特点,因此,基于 USB 的线阵 CCD 传输系统具有通用性强、高速和实时的特点,用途非常广泛。 1.4 USB 高速接口数据采集控制软件研究的内容 本研究项目利用 USB 接口传输速度快,支持热插拔等特点,在高速数据采集体系的基础上,进行 USB 高速接口数据采集软件的开发,主要研究的内容有一下几个方面:  了解基于 USB 的 TCD1209 线阵的 CCD 数据传输系统的结构,以及数据采集 原理。  掌握 USB2.0 总线协议, USB 通信原理以及传输方式。了解 USB 固件程序和 驱动程序的基本内容及其基本作用。  独立设计和编写 USB 应用程序界面,能够实现高速数据采集,动态波形4 USB 高速接口数据采集控制软件卡开发 的显示,将波形保存为 BMP 格式等功能。  应用编写的应用程序并进行测试,并提出进一步的改进方案。 第二章 USB 接口协议 5 第二章 USB接口协议 2.1 USB 的发展史 USB(Universal Serial Bus:通用串行总线 )[4]主要是用来连接计算机与外围装置之间的总线,其随插即用 (Plug and Play)的功能,使其不须经过繁复的安装程序便可任意将外围装置连结、配置、使用及移除。而由于 USB 的弹性与容易使用,使得支持 USB 的外围装置包括鼠标、键盘、喇叭、调制解调器、扫描机等各种不同的产品逐年增加,时至今日, USB 接口已成为自 COM port(串行端口 )以后,计算机上最成功的外围连接接口。 USB 从 1994 年开始提出以来,到目前为止共有四个版本: USB 1.0、 USB 1.1、USB 2.0 和 USB3.0,USB 1.0 只有低速 (low speed, 1.5Mbps)一种传输模式, USB 1. 1增加了全速 (full speed, 12Mbps)模式, USB 2. 0 增加了高速 (high speed, 480Mbps)模式, USB3.0 又增加了超高速 (super speed, 4.8Gbps)模式。 由于 USB 协议已经成为设备与 PC 之间的事实标准,无论是通用设备 (鼠标,键盘,打印机等 )还是专用设备, USB 几乎已经替代了其他串行通信协议。 USB 是一种内置丰富驱动程序的即插即用式总线接口,能缩短开发周期和设备安装时间。不但设计人员喜欢这种接口,终端用户也因为不必为新购的外设安装加载新的设备驱动程序而乐于使用。在嵌入式领域中, USB 也具有重要地位。为了与通用设备接口通信,或是满足移动数据交换这一类的需求,很多嵌入式设备也已经支持USB 接口。 2.2 USB 总线协议 2.2.1 USB 总线结构 USB 总线结构由 USB 设备、 USB 主机和 USB 电缆组成。其中 USB 设备指的是连接到计算机的外设, USB 设备连接的计算机称为 USB 主机,在数据传输过程中, USB 设备向 USB 主机发送数据称为上行通信, USB 主机向 USB 设备发送数据称为下行通信。如下图所示 USB 连接: 6 USB 高速接口数据采集控制软件卡开发 上行 下行 图 2.1 USB 连接方式 USB 主机指的是包含 USB 主控制器,并且能够完成主机和 USB 设备数据传输的设备。 USB 设备指的是 USB 集线器和 USB 功能设备, USB 集线器主要用于为 USB连接提供额外的连接点,它能够使一个 USB端口扩展为连接多个设备;USB 功能设备通常是一个独立的具有特定功能的外部设备。 USB 设备与 USB 主机, USB 主机与 USB 集线器,及 USB 设备与 USB 集线器之间需要通过 USB 电缆连接。 USB 协议中规定, USB 高速传输和全速传输需要使用外壳屏蔽、数据线双绞的 USB 电缆,而低速 USB 则不需要。 USB 电缆共有四根引线: VBUS、 GND、 D+、 D-。其中 VBUS 向外提供 +5V电源, GND 是地线, D+和 D-是差分数据线对。 图 2.2 USB 电缆线 USB 的连接还需要 USB 连接器,市场上有两种 A 型和 B 型。 USB 连接器的母口和公口总是相互匹配的,所谓的母口就是指插头,公口就是指插座。一般来讲, A 型插座总是作为 USB 主机或 USB 集线器 [5]的下行端口,因此, A 型插头总是指向上行的 USB 主机; B 型插座总是作为 USB 设备或 USB 集线器的上行端口,所以 B 型插头总是指向下行 USB 设备或集线器。 图 2.3 USB 接口 USB 主机 USB 设备
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