離心式水泵設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 離心式水泵設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)離心式水泵設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 摘摘 要要 I AbstractAbstract II 第一章第一章 緒緒 論論 1 1 1 課題研究的背景及意義 1 1 2 USB 簡(jiǎn)介 1 1 2 1 USB 優(yōu)點(diǎn) 1 1 2 2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2 1 3 離心泵測(cè)試 3 1 4 虛擬儀器技術(shù)及相關(guān)知識(shí) 4 1 4 1 虛擬儀器簡(jiǎn)述 4 1 4 2 虛擬儀器的優(yōu)勢(shì) 5 1 4 3 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 5 1 5 課題研究的主要內(nèi)容 7 1 6 課題意義 7 第二章第二章 基于基于 USBUSB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 8 2 1 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo) 8 2 2 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 8 2 3 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 8 第三章第三章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 10 3 1 USB2 0 協(xié)議 10 3 1 1 USB 系統(tǒng)組成 10 3 1 2 USB 設(shè)備組成 10 3 1 3 USB2 0 數(shù)據(jù)幀 12 3 1 4 USB2 0 端點(diǎn)緩沖區(qū) 13 3 1 5 USB 插頭插座 14 3 2 主要芯片介紹 14 3 2 1 為何選擇 CY7C68013 14 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 3 2 2 CY7C68013 芯片簡(jiǎn)介 16 3 1 3 ADS7825P 簡(jiǎn)介 22 3 2 USB 采集系統(tǒng)原理電路設(shè)計(jì) 24 3 2 1 主芯片外圍電路設(shè)計(jì) 24 3 2 2 A D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 25 3 2 3 傳感信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 28 3 2 4 電源電路設(shè)計(jì) 30 3 2 5 EEPROM 電路設(shè)計(jì) 32 第四章第四章 USBUSB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 34 4 1 固件程序開(kāi)發(fā) 34 4 1 1 固件功能及編程 34 4 1 2 列舉和重列舉 36 4 1 3 USB 描述符 38 4 2 驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā) 40 4 2 1 使用 Driver Development Wizard 創(chuàng)建 INF 文檔 40 4 2 2 安裝 INF 文檔和 USB 設(shè)備 43 4 2 3 使用 VISA Interactive Control 測(cè)試通訊情況 44 4 3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì) 46 4 4 上位機(jī)程序開(kāi)發(fā) 47 第五章第五章 結(jié)論與展望結(jié)論與展望 49 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 50 致致 謝謝 51 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第一章 緒論 1 1 課題研究的背景及意義 信息技術(shù)與電子技術(shù)的迅猛發(fā)展 使得計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備也得到飛速發(fā)展和應(yīng)用 在科學(xué)研究領(lǐng)域和許多生產(chǎn)場(chǎng)合中常用到數(shù)據(jù)采集技術(shù) 并且對(duì)數(shù)據(jù)采集的各種要求也 越來(lái)越高 傳統(tǒng)的通信方式由于傳輸速度慢 抗干擾能力弱 安裝麻煩等原因嚴(yán)重阻礙 了數(shù)據(jù)采集設(shè)備的發(fā)展 新一代通用串行總線(xiàn) Universal Serial Bus 簡(jiǎn)稱(chēng)USB 具有傳輸 線(xiàn)少 速度快 支持熱插拔以及易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn) 很好的解決了以上問(wèn)題 因此串行總 線(xiàn)技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及通信設(shè)備中迅速得到了廣泛的應(yīng)用 文中分析了USB總線(xiàn)的體系 結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 針對(duì)傳統(tǒng)總線(xiàn)不足之處 在此基礎(chǔ)上研究了基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 根據(jù) 系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的技術(shù)指標(biāo) 從而確定系統(tǒng)的整體框架和各個(gè)部分芯片的選擇 而且USB接 口芯片價(jià)格低廉 大大促進(jìn)USB設(shè)備的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用 所以目前基于USB的數(shù)據(jù)采集卡已經(jīng) 成為一種流行趨勢(shì) 12 通常開(kāi)發(fā)USB系統(tǒng)時(shí) 先用Windows DDK 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)包 或第三方開(kāi)發(fā)工具 如Driver Studio 開(kāi)發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序 然后用Visual C 編寫(xiě)DLL 動(dòng)態(tài)連接庫(kù) 最后再調(diào) 用DLL來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序 這對(duì)不熟悉Windows編程的人有一定的難度 而USB應(yīng)用程序也大 都是使用Visual C 來(lái)編寫(xiě)的 過(guò)程繁瑣 調(diào)試麻煩 花費(fèi)的時(shí)間也比較長(zhǎng) 美國(guó)國(guó)家儀器NI National Instrument 公司開(kāi)發(fā)的Lab EW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbeneh 語(yǔ)言是一種基于圖形程序的編程語(yǔ)言 含有豐富的數(shù)據(jù) 采集 數(shù)據(jù)信號(hào)分析以及控制等子程序 易于調(diào)試和維護(hù) 且程序編程簡(jiǎn)單 直觀口 可以直接在Lab EW環(huán)境下通過(guò)NI VISA Virtual Instrument Software Architeeture 以下 簡(jiǎn)稱(chēng)為 VISA 開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序 完全避開(kāi)了以前開(kāi)發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)雜性 大大縮短 了開(kāi)發(fā)周期 用它來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序 把采集來(lái)的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)上 再通過(guò)Lab EW的 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示 分析和存儲(chǔ) 1 2USB 簡(jiǎn)介 1 2 1USB 優(yōu)點(diǎn) USB universalSerialBus 是一種通用串行總線(xiàn)USB是1995年康柏 微軟 mM DEC等公 司為解決傳統(tǒng)總線(xiàn)不足而推廣的一種新型的快速雙向同步傳輸并可熱插拔數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn) 該總線(xiàn)接口具有以下優(yōu)點(diǎn) 4 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 l 低成本 為了把外設(shè)連接到計(jì)算機(jī)上 USB提供了一種低成本的解決方案 即所 有系統(tǒng)的智能機(jī)制都駐留在主機(jī)并嵌入芯片組中 方便了外設(shè)的制造 2 可以熱插拔 這就讓用戶(hù)在使用外接設(shè)備時(shí) 不需要重復(fù) 關(guān)機(jī)將并口或串口電 纜接上再開(kāi)機(jī) 這樣的動(dòng)作 而是直接在PC開(kāi)機(jī)時(shí) 就可以將USB電纜插上使用 3 攜帶方便 USB設(shè)備大多以 小 輕 薄 見(jiàn)長(zhǎng) 對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō) 同樣20G的硬盤(pán) USB硬盤(pán)比roE硬盤(pán)要輕一半的重量 在想要隨身攜帶大量數(shù)據(jù)時(shí) 當(dāng)然USB設(shè)備會(huì)是首要 之選 4 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一 大家常見(jiàn)的是DE接口的硬盤(pán) 串口的鼠標(biāo)鍵盤(pán) 并口的打印機(jī)掃描儀 可是有了USB之后 這些應(yīng)用外設(shè)統(tǒng)統(tǒng)可以用同樣的標(biāo)準(zhǔn)與PC連接 這時(shí)就有了USB硬盤(pán) USB鼠標(biāo) USB打印機(jī) 5 單一連接器類(lèi)型 USB定義了一種簡(jiǎn)單的連接器 僅適用一個(gè)四芯電纜即可鏈接 任何一個(gè)USB設(shè)備 6 獨(dú)立供電 USB通過(guò)集線(xiàn)器向設(shè)備提供電源 當(dāng)外設(shè)的電源要求電壓5v電流小于 5OOmA時(shí) 可以直接從USB總線(xiàn)獲取電源 這樣USB無(wú)需專(zhuān)用電源線(xiàn) 從而降低成本 7 錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù) USB事務(wù)處理包括錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制 他們可以確保數(shù)據(jù)無(wú)錯(cuò)誤發(fā) 送了 8 USB系統(tǒng)在設(shè)計(jì)保持了向上的繼承性 1 2 2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) USB設(shè)備的應(yīng)用目前在國(guó)外處于高速發(fā)展階段 國(guó)外有些企業(yè)也已經(jīng)推出了很多適應(yīng) 不同條件 不同精度的USB數(shù)據(jù)采集系列產(chǎn)品 典型的是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司 National Instruments NI 公司研制的一系列USB數(shù)據(jù)采集卡 NI于2005年8月退出了 八款最新USB2 0高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備 從而擴(kuò)展了其業(yè)界領(lǐng)先的高性能USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備 USB 9000系列產(chǎn)品 實(shí)現(xiàn)了高達(dá)800ks s的采樣率 此后新推出的USB 高速設(shè)備包 含免費(fèi)的交互式數(shù)據(jù)記錄軟件 以供分析之用 USB設(shè)備在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)起步 并速度 快 水平不斷提高 市場(chǎng)上國(guó)內(nèi)產(chǎn)品有北京優(yōu)采公司 系列 四川拓普公司的 DAQ UBOX UCARD等系列 國(guó)內(nèi)在USB數(shù)據(jù)采集 USB工業(yè)控制等領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果 在現(xiàn)實(shí)中的得到 成功的應(yīng)用 USB2 0協(xié)議 數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)480Mbps 如此高的傳輸速率能用于1 0的 傳輸速率所無(wú)法滿(mǎn)足的地方 如高實(shí)時(shí)性要求的工業(yè)設(shè)備控制 動(dòng)態(tài)圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)?隨著時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展 USB必將在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應(yīng)用 國(guó)內(nèi)有一 些廠商為USB設(shè)備研發(fā)提供軟硬件支持 這很大程度上降低了開(kāi)發(fā)難度 減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間 提高了開(kāi)發(fā)質(zhì)量和效率USB2 0接口憑借低成本 高性能 可靠穩(wěn)定 方便靈活的特點(diǎn) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 將逐步成為微型計(jì)算機(jī)的主要輸入輸出方式 總的來(lái)說(shuō) 目前國(guó)內(nèi)對(duì) USB 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的研制已經(jīng)取得了可喜的發(fā)展 但是與國(guó) 外的情況相比 在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的深度和廣度而言 還有一段距離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集要求比較 高的場(chǎng)合多是采用的國(guó)外產(chǎn)品 因此 隨著計(jì)算機(jī)對(duì) USB 接口的普及和實(shí)際應(yīng)用中對(duì)數(shù) 據(jù)采集卡要求的提高 利用 USB2 0 協(xié)議規(guī)范開(kāi)發(fā)出符合多種場(chǎng)合要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 以及此領(lǐng)域內(nèi)先進(jìn)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化等都成了急待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題 1 3 離心泵測(cè)試 離心泵由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 緊湊 重量輕 造價(jià)低 排量大以及供液均勻等優(yōu)點(diǎn) 因而獲得了廣泛的應(yīng)用 由于泵類(lèi)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上和在運(yùn)行過(guò)程中特有的復(fù)雜性 對(duì)泵的 性能測(cè)試是泵研制 開(kāi)發(fā)以及生產(chǎn)中必不可少的重要環(huán)節(jié) 1 傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)存在硬件集 成復(fù)雜 界面不友好 開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)和對(duì)開(kāi)發(fā)人員編程能力要求高等缺點(diǎn) 2 本文基于 LabVIEW虛擬儀器平臺(tái) 運(yùn)用USB 總線(xiàn)技術(shù) 開(kāi)發(fā)的離心泵性能測(cè)試系統(tǒng)很好的解決了上 述缺點(diǎn) 系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單 可移動(dòng)性強(qiáng) 操作方便 實(shí)用性強(qiáng) 具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義 水泵要測(cè)量的主要參數(shù)有流量 水泵轉(zhuǎn)速 電機(jī)轉(zhuǎn)速 電機(jī)功率 電機(jī)電流 水泵 軸功率 水泵流量的檢測(cè)有多種方法與傳感器 比如水堰法 差壓式流量計(jì) 渦輪流量計(jì) 電磁流量計(jì) 超聲波流量計(jì) 但相比較而言超聲波流量計(jì)不破壞管路于管外安裝 且簡(jiǎn) 單實(shí)用 安裝方便 由于不和流體接觸 對(duì)流體無(wú)阻力 因此在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用日益廣 泛 超聲波流量計(jì)可以適用于不同大小管徑的流量測(cè)量 解決了大管徑流量的測(cè)量問(wèn)題 轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多 根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有 M 法 測(cè)頻法 T 法 測(cè)周期法 和 MPT 法 頻率周期法 我們采用和測(cè)頻法 根據(jù)霍爾效應(yīng)原理 將一塊 永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤(pán)邊沿 轉(zhuǎn)盤(pán)隨測(cè)軸旋轉(zhuǎn) 磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn) 在 轉(zhuǎn)盤(pán)下方安裝一個(gè)霍爾器件 轉(zhuǎn)盤(pán)隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí) 受磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響 霍爾器件 輸出脈沖信號(hào) 其頻率和轉(zhuǎn)速成正比 電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)同水泵轉(zhuǎn)速 功率通常是指機(jī)械的回轉(zhuǎn)功率 即在穩(wěn)定狀態(tài)下原機(jī)軸端的扭矩與轉(zhuǎn)速的乘積 測(cè) 量的方法主要有 用轉(zhuǎn)矩速傳感器與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀配套測(cè)量 扭矩法測(cè)功率和電測(cè)法等 也可以用功率傳感器直接測(cè)量 功率傳感器也稱(chēng)功率計(jì)探頭 它把高頻電信號(hào)通過(guò) 能量轉(zhuǎn)換為可以直接檢測(cè)的電信號(hào) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 水泵的軸功率是電動(dòng)機(jī)傳遞給水泵軸的功率 水泵軸功率的測(cè)定實(shí)質(zhì)上是通過(guò)測(cè)定拖 動(dòng)電機(jī)的輸入功率和功率損耗來(lái)確定拖動(dòng)電機(jī)的輸出功率 對(duì)于聯(lián)軸器直連傳動(dòng)機(jī)組 電動(dòng)機(jī)輸出功率與傳動(dòng)效率之積為水泵軸功率 1 4 虛擬儀器技術(shù)及相關(guān)知識(shí) 虛擬技術(shù) 計(jì)算機(jī)通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)的重要組成部分 它們被稱(chēng)為21 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù) 虛擬技術(shù)的出現(xiàn)大大改變了人類(lèi)現(xiàn)有的思維模式工作 模式和生活模式 虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物 是一種全 新的儀器形式 它的出現(xiàn)使儀器與計(jì)算機(jī)之間的界限開(kāi)始消失 是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng) 革命 1 4 1 虛擬儀器簡(jiǎn)述 虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件 結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試 測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用 自1986年問(wèn)世以來(lái) 世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié) 從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量 縮短了 產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間 并提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)效率 使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn) 實(shí)世界的信號(hào)相連 分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息 共享信息成果 有助于在較大范圍內(nèi)提 高生產(chǎn)效率 虛擬儀器提供的各種工具能滿(mǎn)足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要 20年來(lái) 無(wú)論是初學(xué)乍用的新手還是經(jīng)驗(yàn)豐富的程序開(kāi)發(fā)人員 虛擬儀器在各種不 同的工程應(yīng)用和行業(yè)的測(cè)量及控制的用戶(hù)中廣受歡迎 這都?xì)w功于其直觀化的圖形編程 語(yǔ)言 虛擬儀器的圖形化數(shù)據(jù)流語(yǔ)言和程序框圖能自然地顯示您的數(shù)據(jù)流 同時(shí)地圖化 的用戶(hù)界面直觀地顯示數(shù)據(jù) 使我們能夠輕松地查看 修改數(shù)據(jù)或控制輸入 19 美國(guó)國(guó)家儀器公司NI National Instruments 提出的虛擬測(cè)量?jī)x器 VI 概念 引 發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革 使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域 和 儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái) 從而開(kāi)創(chuàng)了 軟件即是儀器 的先河 軟件即是儀器 這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想 從這一思想出發(fā) 基于電腦或工作站 軟件和I O部件來(lái)構(gòu)建虛擬儀器 I O部件可以是獨(dú)立儀器 模塊 化儀器 數(shù)據(jù)采集板 DAQ 或傳感器 NI所擁有的虛擬儀器產(chǎn)品包括軟件產(chǎn)品 如 LabVIEW GPIB產(chǎn)品 數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品 信號(hào)處理產(chǎn)品 圖像采集產(chǎn)品 DSP產(chǎn)品和VXI控 制產(chǎn)品等 1 4 2 虛擬儀器的優(yōu)勢(shì) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 同其他技術(shù)相比 虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢(shì) 16 1 性能高 虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 所以完全 繼承 了以現(xiàn)成即用的PC 技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 包括功能超卓的處理器和文件I O 使您在數(shù)據(jù)高速 導(dǎo)入磁盤(pán)的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析 此外 不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì) 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì) 2 擴(kuò)展性強(qiáng) NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中 這得益于NI軟件的靈活性 只 需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件 就能以最少的硬件投資和極少的 甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即 可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng) 在利用最新科技的時(shí)候 我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備 最 終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間 3 開(kāi)發(fā)時(shí)間少 在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上 NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī) 儀器儀表和通訊方面的 最新技術(shù)結(jié)合在一起 NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶(hù)的操作 同時(shí)還提 供了靈活性和強(qiáng)大的功能 使我們輕松地配置 創(chuàng)建 發(fā)布 維護(hù)和修改高性能 低成 本的測(cè)量和控制解決方案 4 無(wú)縫集成 虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念 隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于 復(fù)雜 工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足完整的測(cè)試需求 而連接和集成這些 不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間 NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的 接口 幫助我們輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng) 減少了任務(wù)的復(fù)雜性 1 4 3 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口 設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成 其中 硬件設(shè)備 與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡 通用接口總線(xiàn)接口卡 串行口 VXI總線(xiàn) 儀器接口等設(shè)備 或者是其它各種可程控的外置測(cè)試設(shè)備 設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各 種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序 虛擬儀器通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊 并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控 件 15 用戶(hù)用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便 1 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件 計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可 以是各種類(lèi)型的計(jì)算機(jī) 如臺(tái)式計(jì)算機(jī) 便攜式計(jì)算機(jī) 工作站 嵌入式計(jì)算機(jī)等 它 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 管理著虛擬儀器的軟件資源 是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ) 因此 計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示 存儲(chǔ) 能力 處理器性能 網(wǎng)絡(luò) 總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展 導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展 按照測(cè)控功能硬件的不同 VI可分為DAQ GPIB VXI PXI和串口總線(xiàn)五種標(biāo)準(zhǔn)體系 結(jié)構(gòu) 它們主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集 放大 模 數(shù)轉(zhuǎn)換 2 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成 測(cè)試軟件是虛擬儀器的主心骨 NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實(shí)用成果 時(shí) 就用軟件就是儀器來(lái)表達(dá)虛擬儀器的特征 強(qiáng)調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置 NI 公司從一開(kāi)始就推出豐富而又簡(jiǎn)潔的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件 使用者可以根據(jù)不同的測(cè)試任 務(wù) 在虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的提示下編制不同的測(cè)試軟件 來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測(cè) 試任務(wù) 在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件 特別是 系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析 使儀器中的一些硬件甚 至整個(gè)儀器從系統(tǒng)中消失 而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能 虛擬儀器測(cè)試 系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分 1 儀器面板控制軟件 儀器面板控制軟件即測(cè)試管理層 是用戶(hù)與儀器之間交流信息的紐帶 利用計(jì)算機(jī) 強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境 使用可視化的技術(shù) 從控制模塊上選擇你所需要的對(duì)象 放在 虛擬儀器的前面板上 2 數(shù)據(jù)分析處理軟件 利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)可以極大提高虛 擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力 節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間 3 儀器驅(qū)動(dòng)軟件 虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序是處理與特定儀器進(jìn)行控制通信的一種軟件 儀器驅(qū)動(dòng)器與通信 接口及使用開(kāi)發(fā)環(huán)境相聯(lián)系 它提供一種高級(jí)的 抽象的儀器映像 它還能提供特定的 使用開(kāi)發(fā)環(huán)境信息 儀器驅(qū)動(dòng)器是虛擬儀器的核心 是用戶(hù)完成對(duì)儀器硬件控制的紐帶 和橋梁 虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的核心是驅(qū)動(dòng)程序函數(shù) VI集 函數(shù) VI是指組成驅(qū)動(dòng)的模塊 化子程序 驅(qū)動(dòng)程序一般分為兩層 底層是儀器的基本操作 如初始化儀器配置儀器輸 入?yún)?shù) 收發(fā)數(shù)據(jù) 查看儀器狀態(tài)等 高層是應(yīng)用函數(shù) VI層 它根據(jù)具體測(cè)量要求調(diào)用 底層的函數(shù) VI 4 通用 I O 接口軟件 在虛擬儀器系統(tǒng)中 I O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層 其 模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來(lái)越重要 VXI總線(xiàn)即插即用聯(lián)盟 為其制定了標(biāo)準(zhǔn) 提出了自底向上 的I O接口軟件模型即VISA 作為通用I O標(biāo)準(zhǔn) VISA具有與儀器硬件接口無(wú)關(guān)性的特點(diǎn) 即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線(xiàn)的 應(yīng)用工程師為帶GPIB接口儀器 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 所寫(xiě)的軟件 也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設(shè)備上 這樣不但大大縮短了應(yīng)用程 序的開(kāi)發(fā)周期 而且徹底改變了測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)的方式和手段 16 1 5 課題研究的主要內(nèi)容 本課題為水泵測(cè)試研究項(xiàng)目的一部分 旨在研究開(kāi)發(fā)一款目前比較流行的基于USB接 口與labview的數(shù)據(jù)采集卡 本課題分為以下幾個(gè)主要方面 l 熟悉USB協(xié)議及體系結(jié)構(gòu) 掌握操作系統(tǒng)知識(shí) 2 完成USB接口數(shù)據(jù)采集卡硬件電路設(shè)計(jì) 3 設(shè)計(jì)水泵測(cè)試中的采集信號(hào)的處理電路 4 編寫(xiě)固件程序與驅(qū)動(dòng)程序 5 用labview編寫(xiě)上位機(jī)讀寫(xiě)USB的上位機(jī)程序 其中難點(diǎn)是在于硬件電路的設(shè)計(jì) usb驅(qū)動(dòng)及上位機(jī)程序的編寫(xiě) 1 6 課題意義 隨著USB接口在PC機(jī)上已經(jīng)成為標(biāo)配以及現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求 日益提高 在瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量 圖像處理等一些高速 高精度的測(cè)量中 基于USB接口的數(shù) 據(jù)采集平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)日益突顯出來(lái) 目前在基于USB的數(shù)據(jù)采集卡已經(jīng)成為一種流行趨勢(shì) 但目前讓有一些問(wèn)題尚在研究發(fā)展之中 如 高速實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)采集 本課題旨在研究 開(kāi)發(fā)一款目前比較流行的基于USB接口的數(shù)據(jù)采集卡 為今后的大量應(yīng)用奠定基石 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 第二章 基于USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 基于USB總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括兩部分 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)部 分完成數(shù)據(jù)采集功能 并將采集的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī) 軟件設(shè)計(jì)包括USB固件程序 設(shè)備驅(qū) 動(dòng)程序和上位機(jī)應(yīng)用程序 整體設(shè)計(jì)思路為 用戶(hù)通過(guò)主機(jī)端的應(yīng)用軟件下載USB固件代 碼 并向采集系統(tǒng)發(fā)出讀寫(xiě)指令以及對(duì)對(duì)A D的設(shè)置數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)收到指令后 根據(jù)所 收到的設(shè)置開(kāi)始對(duì)外部模擬信號(hào)進(jìn)行A D變換 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)有USB傳輸至計(jì)算機(jī) 在 labview上位機(jī)程序中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和讀取和顯示 下面以USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)須達(dá)到的 技術(shù)指標(biāo)來(lái)分別介紹這兩部分的設(shè)計(jì)構(gòu)想和原理 2 1 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1 接口方式 USB總線(xiàn)接口 支持USB2 0接口標(biāo)準(zhǔn) 可熱插拔 即插即拔 2 輸入通道 8個(gè)通道 3 測(cè)量信號(hào) 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)傳感器的輸出電壓信號(hào) 電流信號(hào) 4 信號(hào)的輸入范圍 0 5V 5 A D分辨率 16Bit 6 用戶(hù)程序要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和讀取功能 2 2 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 基于usb總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分 主要有以下幾部分組成 18 A D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯 片 usb2 0主控器 電源設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集 多通道輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A D的多通道 數(shù)據(jù)選擇并轉(zhuǎn)換 由usb接口控制芯片的IN端點(diǎn)讀入緩沖區(qū) 在由其OUT端點(diǎn)輸出至PC機(jī) 系統(tǒng)的工作流程為采集信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ads7815p 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)用 cy7c68013的I O口引腳來(lái)控制ADS7825P 進(jìn)行讀數(shù)據(jù) PC的用戶(hù)應(yīng)用程序發(fā)出接受數(shù)據(jù) 的請(qǐng)求 并由設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)決定是否開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù) 當(dāng)系統(tǒng)上電后 系統(tǒng)自動(dòng)識(shí) 別設(shè)備后加載驅(qū)動(dòng)程序 usb控制器的控件程序通過(guò)USB電纜從主機(jī)自動(dòng)下載到其應(yīng)用程 序RAM中 并經(jīng)過(guò)列舉和重列舉后開(kāi)始正常工作 計(jì)算機(jī)可以通過(guò)用戶(hù)軟件取得系統(tǒng)的配 置信息 2 3 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 數(shù)據(jù)采集 固件程序 驅(qū)動(dòng)程序 界面程序 圖 2 1 系統(tǒng)軟件的層次圖 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分一共包括三部分 芯片的固件程序 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和 用戶(hù)界面程序 這三部分 層次關(guān)系如圖 2 1 所示 USB 固件程序是 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 處于最底層的設(shè)備端 它主要完成對(duì) USB 芯片 68013 A D 轉(zhuǎn)換以及整個(gè)電路的初始化 將采集的數(shù)據(jù)送入 cy7c68013 的緩沖區(qū)發(fā)給 PC 機(jī) 接受并執(zhí)行 PC 發(fā)出的指令 它負(fù)責(zé) 處理 PC 機(jī)發(fā)來(lái)的各種 USB 設(shè)備請(qǐng)求 并以外圍電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 14 USB 驅(qū)動(dòng)程序給用 戶(hù)界面程序提供了軟件和硬件的平臺(tái)連接的通道 應(yīng)用程序的主要功能是對(duì)采集的數(shù)據(jù) 進(jìn)行讀取顯示 開(kāi)發(fā)用戶(hù)界面程序可以選擇不同的開(kāi)發(fā)軟件 本系統(tǒng)中的應(yīng)用程序軟件 是 LABVIEW 它可以使用圖形化編程語(yǔ)言 簡(jiǎn)單易懂 功能強(qiáng)大 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第三章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 本章主要介完成USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì)部分主要包括多 通道A D轉(zhuǎn)換電路 USB2 0主控制器 cy7c68013 外圍電路設(shè)計(jì) cy7c68013與模數(shù)轉(zhuǎn)換 器ADS7825P的鏈接 傳感信號(hào)調(diào)理電路 電源設(shè)計(jì)部分等 3 1 USB2 0 協(xié)議 3 1 1 USB 系統(tǒng)組成 首先了USB設(shè)備組成 并帶著這些問(wèn)題去閱讀 USB系統(tǒng)的三個(gè)組成HOST HUB 和 Device CPU USB HOST CPU USB DEVICE 圖 3 1 USB 最簡(jiǎn)單系統(tǒng)組成 HOST 主控器 PC 端的就是 HOST了 如果我們?cè)?ARM 芯片或者單片機(jī)上加上一個(gè) HOST芯片就可以讀寫(xiě)U盤(pán)和其它的DEVICE 了 HUB HOST 只有一個(gè) USB 口 如果要同時(shí)使用多個(gè)USB DEVICE HUB可以將一個(gè) USB口擴(kuò)充多個(gè)USB 口 市場(chǎng)上都有賣(mài) DEVICE 似乎大家對(duì)這個(gè)最為親切 因?yàn)槲覀兘佑|最多就是 USB DEVICE 例如移動(dòng) 硬盤(pán) 打印機(jī) U 盤(pán)等 典型的 USB 系統(tǒng)都是由三者構(gòu)成的 實(shí)際上主要是由 HOST 和 DEVICE 組成 最簡(jiǎn)潔的USB 系統(tǒng)構(gòu)成如圖 3 1 所示 其中 CPU 可以是PC機(jī) 單片機(jī) ARM MIPS COLDFIRE POWERPC 3 1 2 USB 設(shè)備組成 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 接口A 接口A 接口C接口B 接口B 配置1 配置2 端點(diǎn) 圖 3 2 USB 設(shè)備組成 一般 如圖 3 2 所示 每個(gè) USB 設(shè)備由一個(gè)或多個(gè)配置 configuration 來(lái)控制 其行為 使用多配置原因是對(duì)操作系統(tǒng)的支持 一個(gè)配置中是由接口 Interface 組成 接口則是由管道 Pipe 組 成 管 道 是 和USB 設(shè) 備 的 端 點(diǎn) Endpoint 對(duì) 應(yīng) 端點(diǎn)都是輸入輸出成對(duì)的 在固件編程中 USB設(shè)備 配置 接口和管道都有描述符 來(lái)報(bào)告其屬性 雖然圖中配置 接口 端點(diǎn)很多 但是一般使用的時(shí)候配置和接口我們 都只設(shè)置一個(gè) 根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際情況 來(lái)選擇用哪個(gè)端點(diǎn) 每個(gè)芯片的端點(diǎn)數(shù)都是 一定的 例如 AN2131有 32個(gè) 68013 有 7 個(gè)端點(diǎn) 而實(shí)際工程中可能采用到其中的幾 個(gè) 12 端點(diǎn)有了 就可以建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓艿?一個(gè)端點(diǎn)建立一個(gè)通道 一般管道的端點(diǎn) 總是成對(duì)出現(xiàn) 一個(gè)IN DEVICE PC 一個(gè) OUT DEVICE PC 如圖 3 3 端點(diǎn)0默 認(rèn)配置為控制管道 用來(lái)完成所規(guī)定的設(shè)備請(qǐng)求 設(shè)備請(qǐng)求詳見(jiàn) USB 協(xié)議第九章 其它 端點(diǎn)可配置為數(shù)據(jù)管道 對(duì)開(kāi)發(fā)而言 主要的大數(shù)據(jù)傳輸都是通過(guò)數(shù)據(jù)管道來(lái)完成的 用戶(hù)需要根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速度來(lái)規(guī)定數(shù)據(jù)管道的傳輸類(lèi)型 同時(shí) 每種數(shù)據(jù)傳輸都必 須根據(jù)數(shù)據(jù)請(qǐng)求的格式來(lái)進(jìn)行 隨著 USB1 X 的普及應(yīng)用 為了增加 USB 接口的應(yīng)用范圍 USB IF 推出 USB2 0 規(guī)范 該規(guī)范在兼容 USB1 X 的基礎(chǔ)至上 增加了 480Mbps 的高速數(shù)據(jù)傳輸 總線(xiàn)拓?fù)?上 USB2 0 仍然采用 USB1 X 的樹(shù)型結(jié)構(gòu) 物理連接上使用 USB1 X 定義好的A 型和 B 型接口 在傳輸速度上 USB2 0 支持 1 5Mbps 12Mbps 480Mbps 數(shù)據(jù)傳輸上USB2 0 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 同 USB1 1 規(guī)范 支持四種傳輸 控制傳輸 批量傳輸 中斷傳輸和等時(shí)傳輸 在數(shù)據(jù) 包上 USB2 0 和 USB1 1 有著相同的數(shù)據(jù)格式 為了支持高速數(shù)據(jù) USB2 0 增加了新 的令牌數(shù)據(jù)包 系統(tǒng)軟件 主機(jī)適配器 Function 接口 邏輯設(shè)備 總線(xiàn)接口 應(yīng)用軟件 電纜和Hub 數(shù)據(jù)管道 控制管道 虛擬信息流 物理信息流 圖 3 3 USB 多層次通訊模型 3 1 3USB2 0 數(shù)據(jù)幀 USB2 0 和 USB1 1 規(guī)范最大的不同之處就是數(shù)據(jù)幀 如圖 3 4 在 USB1 1 規(guī)范中 USB數(shù)據(jù)采用每毫秒一個(gè)數(shù)據(jù)幀的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 在毫秒數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始 USB主機(jī) 首先產(chǎn)生幀開(kāi)始 SOF 數(shù)據(jù)包 并傳輸當(dāng)前數(shù)據(jù)幀號(hào) 后面是傳輸數(shù)據(jù) 對(duì)于 USB2 0 規(guī)范 為了支持 480Mbps 高速傳輸速度 如圖 3 5 USB2 0 提出了微幀的概念 每毫 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 秒數(shù)據(jù)幀又包括 8 個(gè)微幀 8 圖 3 4 USB1 1 數(shù)據(jù)幀 圖 3 5 USB2 0 數(shù)據(jù)幀 從圖 3 4 和圖 3 5 中可看出 在 USB 每個(gè)數(shù)據(jù)幀中包括的控制 中斷 等時(shí)和 批量傳輸數(shù)據(jù) 每個(gè)傳輸類(lèi)型分配一定的帶寬 中斷傳輸和等時(shí)傳輸有時(shí)間要求 所以 每個(gè)數(shù)據(jù)幀中均要分配一定帶寬 3 1 4 USB2 0 端點(diǎn)緩沖區(qū) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 相對(duì)于 USB1 X USB2 0 中每種傳輸類(lèi)型的端點(diǎn)可以用更大的緩沖區(qū) 見(jiàn)表 3 1 表 3 1端點(diǎn)緩沖區(qū)大小 3 1 5 USB 插頭插座 USB 是良好的屏蔽線(xiàn) 總共由四根線(xiàn)組成 見(jiàn)表 3 2 表 3 2 USB 接線(xiàn)信號(hào) USB 接插頭和座的類(lèi)型有兩種 A 型和 B 型 通過(guò) A 和 B 從聯(lián)結(jié)上來(lái)區(qū)分 USB HOST 和 USB DEVICE A 型用在 USB HOST 端 B 型用在 USB DEVICE 端 見(jiàn)表 3 3 表 3 3 USB 插頭和座 其中 miniUSB 型插頭和座 USB2 0 協(xié)議才有 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 3 2主要芯片介紹 3 2 1 為何選擇 CY7C68013 目前 USB 芯片大致分為 5 大類(lèi)型 1 單獨(dú)運(yùn)作的 USB 接口芯片 2 內(nèi)含 USB 單元的微處理器 MPU 3 特定的接口轉(zhuǎn)芯片 如 USB 轉(zhuǎn) RS 232 或 USB 轉(zhuǎn) ATA ATAPI 等 4 PC 端或主機(jī)端的 USB 控制器 由于后兩種是屬于 PC 主機(jī)板與芯片組制造商所開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域 不適合用戶(hù)來(lái)開(kāi)發(fā) USB 外圍設(shè)備 因此 對(duì)于一般的 USB 接口的開(kāi)發(fā)者而言 可以選用前面的兩種來(lái)滿(mǎn)足 自己的設(shè)計(jì)要求 1 單獨(dú)運(yùn)作的 USB 接口芯片所謂USB接口芯片 即是僅包含USB的串行接口引擎 SIE FIFO內(nèi)存 收發(fā)器以及電壓調(diào)節(jié)器等的芯片 為了降低成本 有的僅包含模擬 的差動(dòng)電路而已 這類(lèi)的芯片只處理USB相關(guān)的通信工作 必須外加一個(gè)微控制器 MCU 來(lái)管理USB控制器的寄存器 設(shè)備描述符的獲取和數(shù)據(jù)包的交換等 芯片提供一 個(gè)串行或并行的數(shù)據(jù)總線(xiàn)來(lái)與控制器進(jìn)行連接 這樣 外部接口可能比USB最大速度要慢 使得芯片只適合傳送間歇數(shù)據(jù) 這種類(lèi)型的接口芯片常用的有Philips公司的 PDIUSB11 11A 與 12 系列 National Semiconductor公司推出的USBN9602 9603 以及 NetChip公司的NET2888 與NET2890 等等 2 內(nèi)含 USB 單元的微處理器 MPU 芯片內(nèi)部已經(jīng)嵌入了通用微控制器類(lèi)型的USB 控制器芯片一般是在通用微控制器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了USB功能 其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)者熟悉這些通 用微控制器的結(jié)構(gòu)和指令集 相關(guān)資料豐富 易于進(jìn)行開(kāi)發(fā) 如Cypress公司基于增強(qiáng)型 8051內(nèi)核的EZ USB FX系列 Motorola 公司基于68HC08系列的68HC08JB8 Atmel公司基 于AVR的AT76C711等USB控制芯片 采用單獨(dú)運(yùn)作的USB接口芯片的主要特點(diǎn)是成本低 接口形式多樣 可靠性高 具有 很高的靈活性 尤其適合于產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì) 缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)者需要非常熟悉 USB 的協(xié)議 以處理 USB 總線(xiàn)事務(wù) 加大了編程設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)難度 延長(zhǎng)了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期 同時(shí) 要用微處理器控制收發(fā)器的工作 內(nèi)含USB 單元的微處理器的優(yōu)點(diǎn)是 CPU 只需要訪問(wèn)一系列寄存器和存儲(chǔ)器 便可實(shí) 現(xiàn) USB 口的數(shù)據(jù)傳輸 從而簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì) 開(kāi)發(fā)難度減小 而且許多供應(yīng)商還提供 許多范例電路和測(cè)試代碼 使設(shè)計(jì)者從復(fù)雜的協(xié)議解釋中得到解脫 13 在本設(shè)計(jì)中 主要考慮到應(yīng)用 USB2 0 技術(shù) 使整個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備小型化 連接電 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 路簡(jiǎn)單三個(gè)方面的因素 選擇了內(nèi)部嵌入了微控制器 并且支持USB2 0協(xié)議的USB2 0接 口芯片CY7C68013該芯片屬于Cypress公司的FX2系列 CYPRESS 公司推出的 CY7C68013 器件自從推出以來(lái)就受到廣大用戶(hù)的好評(píng) 主要原 因有 出色 USB2 0 單芯片解決方案 68013 包含增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核和智能 USB 接口優(yōu) 良的性?xún)r(jià)比 其中56 引腳的 68013 市場(chǎng)售價(jià)不到 50 元 開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單 CYPRESS 公司提 供了完整開(kāi)發(fā)方案 如調(diào)試界面和固件框架真正體現(xiàn) USB2 0 傳輸速度 包含通用可編 程接口 GPIF 實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的 膠連接 增強(qiáng)型 8051 的指令周期只有 4 時(shí)鐘周期 3 2 2 CY7C68013 芯片簡(jiǎn)介 1 芯片特點(diǎn) 圖 3 6 FX2 框架圖 CY7C68013 特點(diǎn) 3 USB2 0 單芯片解決方案 包括 USB2 0 收發(fā)器 串行接口引擎 SIE 和增強(qiáng)型 51 內(nèi)核可 軟配置 RAM 大小為 8 5K 取代傳統(tǒng) 51 的 RAM 和 ROM 程序可通過(guò)下面方 式下載 1 通過(guò) USB 口下載 2 通過(guò)外部 E2PROM 裝載 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 3 外界存儲(chǔ)設(shè)備 僅 128 引腳支持 4 通用可編程接口 GPIF GPIF 是 FX2 一個(gè)重要技術(shù) 5 可設(shè)置為主從模式 主模式下可對(duì)外部 FIFO 存儲(chǔ)器 ATA 接口設(shè)備進(jìn)行高 速讀寫(xiě)操作 從模式下外部主控器 如 DSP MCU 可把 GPIF 端口當(dāng)作 FIFO 進(jìn)行高速讀寫(xiě)操作 1 支持與外設(shè)通過(guò)并行 8 位或 16 總線(xiàn)傳輸 2 支持通過(guò) GPIF 編程工具編程 靈活產(chǎn)生各種波形 3 支持多 CTL 輸出和多 RDY 輸入 4 增強(qiáng)工業(yè)級(jí) 8051 內(nèi)核 5 支持 48M 時(shí)鐘 6 4個(gè)時(shí)鐘指令周期 在時(shí)鐘為 48M 時(shí) 單指令執(zhí)行時(shí)間為 83 3nS 7 兩個(gè) UART 8 三個(gè) TIMER 9 多中斷系統(tǒng) 10 雙數(shù)據(jù)指針 11 3 3V 工作電壓 12 智能串行接口引擎 SIE 13 USB 中斷矢量 14 100KHz 或 400KHz I2C 接口 15 4個(gè)集成 FIFO 16 低成本與外設(shè)實(shí)現(xiàn) 膠連接 17 自動(dòng)實(shí)現(xiàn)從 16 位 FIFO 轉(zhuǎn)換 18 支持主從工作模式 19 FIFO 支持內(nèi)外時(shí)鐘和同步數(shù)據(jù)觸發(fā) 20 輕松實(shí)現(xiàn)與 ASIC DSP 連接 21 包括 40 多個(gè)通用 IO 端口 22 4 種可選封裝 56 引腳 SSOP 和 QFN 100 引腳 TQFP 和 128 引腳 TQFP 2 引腳說(shuō)明 FX2的引腳主要可以分為幾類(lèi) 5 電源引腳 包括數(shù)字電源地和模擬電源地 系統(tǒng)引 腳 如時(shí)鐘 USB 掛起外部喚醒 USB 差分?jǐn)?shù)據(jù)線(xiàn) 復(fù)位引腳 中斷 計(jì)數(shù)器輸入 UART 通信 通用IOs 包括端口A B C D E 地址與數(shù)據(jù)總線(xiàn) 可用來(lái)外擴(kuò)展 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 RAM GPIF主模式引腳 FIFO 從模式 SLAVE FIFO 引腳 引腳功能見(jiàn)圖 3 7 圖中 128 引腳封裝 68013包括所有功能引腳 56引腳封裝和100引腳封裝只有其中的部分引腳 1 XTALIN 和 XTALOUT 時(shí)鐘輸入引腳 2 RESET 復(fù)位輸入引腳 低電平有效 3 WAKEUP 外部喚醒引腳輸入 低電平有效 4 SCL 和 SDA 為 I2C 接口時(shí)鐘與數(shù)據(jù)引腳 5 IFCLK GPIF 時(shí)鐘 可作為輸入或輸出 6 CLKOUT 時(shí)鐘輸出 可設(shè)置為 12M 24M 或 48M 時(shí)鐘輸出 作為其他外設(shè)時(shí) 鐘 7 DPLUS 和 DMINUS USB 數(shù)據(jù)線(xiàn) D 和 D 8 PB0 PB7 端口 B 復(fù)用引腳 可設(shè)置為 GPIF 數(shù)據(jù)總線(xiàn)的低八位 FD 0 FD 7 9 PD0 PD7 端口 D 復(fù)用引腳 可設(shè)置為 GPIF 數(shù)據(jù)總線(xiàn)的高八位 FD 8 FD 15 10 RDY0 RDY5 GPIF 主模式作為狀態(tài)輸入引腳 RDY0 和 RDY1 為 復(fù)用引腳 FIFO 從模式作為讀寫(xiě)信號(hào) SLRD和 SLWR 11 CTL0 CTL5 GPIF 主模式作為控制輸出引腳 CTL0 CTL2 可復(fù)用為 FIFO 從 模式 12 作為狀態(tài)標(biāo)志引腳 FLAGA FLAGB FLAGC 13 PA0 PA7 端口 A 復(fù)用引腳 PA0 與中斷 INT0 復(fù)用 PA1 與中斷 INT1 復(fù) 用 PA3 與USB 喚醒可選引腳 WU2 復(fù)用 PA2 與 FIFO 從模式 FIFO 輸出使能 引腳復(fù)用 PA4 與FIFO 從模式 FIFO 地址 FIFOADD0 引腳復(fù)用 PA5 與 FIFO 從模式 FIFO 地址 FIFOADD1引腳復(fù)用 PA6 與 FIFO 從模式包結(jié)束 PKTEND 引 腳復(fù)用 PA7 與 FIFO 從模式狀態(tài)標(biāo)志位 FLAGD 以及和 FIFO 從模式 SLAVE FIFO 使能 觸發(fā) SLCS 引腳復(fù)用 PA7 引腳功能由寄存器 IFCONFIG 1 0 來(lái)配置 1 RD WR CS OE PSEN 外擴(kuò) RAM 控制邏輯 2 EA 外部地址使能 3 RxD0 TxD0 RxD1 TxD1 串口 1 和 2 4 INT4 INT5 外部中斷 5 TIMER0 TIMER1 TIMER2 計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入引腳 說(shuō)明 在實(shí)際應(yīng)用中 用戶(hù)需要根據(jù)項(xiàng)目需要來(lái)選擇合適的 68013 芯片封裝 128 引腳功能較全 可以外擴(kuò) RAM 兩個(gè)串口可用來(lái)實(shí)現(xiàn)與其它 MCU 通信和程序在線(xiàn)仿真功 能 另外各種功能引腳也較多 但是設(shè)計(jì)較為復(fù)雜 56引腳優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 成本較低 缺點(diǎn)則是不能外擴(kuò)RAM和在線(xiàn)仿真功能引腳較少 故本設(shè)計(jì)中選用128引腳以方便外擴(kuò)存 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 儲(chǔ)器 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 圖3 7 68013 功能引腳 3 存儲(chǔ)器 對(duì)于 EZ USB 存儲(chǔ)器都包括 RAM 6 沒(méi)有 ROM 所以程序和數(shù)據(jù)都只能是存儲(chǔ)在 RAM中 RAM 包括內(nèi)部 RAM 和外部 RAM 內(nèi)部 RAM 和 8051 的內(nèi)部 RAM 功能一樣 外 部RAM 則是 EZ USB 將傳統(tǒng) 8051 部分外擴(kuò) RAM 放到了芯片的內(nèi)部 用來(lái)存放數(shù)據(jù)和存 儲(chǔ) 1 內(nèi)部 RAM 內(nèi)部 RAM 見(jiàn)圖 3 8 和傳統(tǒng) 8051 內(nèi)部 RAM 功能相同 圖3 8內(nèi)部 RAM 2 外部 RAM 圖 3 9 是 EA 0 時(shí) FX2 中 RAM 的分布 EA 1 時(shí)情況很少使用 所以本文中不做 介紹 外部 RAM 包括兩部分 片上外部 RAM Inside FX2 和外擴(kuò)RAM Outside FX2 外擴(kuò)RAM 是通過(guò) 128PIN 封裝中的引腳 D0 D7 A0 A15 和 RD WR CS OE PSEN 來(lái) 實(shí)現(xiàn)的 對(duì)于 56PIN 封裝 只有片上外部 RAM 地址 0 x0000 0 x1FFF總共 8KB 可以用 來(lái)存放程序或數(shù)據(jù) 地址 0 xE000 0 xE200 總共0 5KB只能用來(lái)存放數(shù)據(jù) 地址 0 xE200 0 xFFFF是寄存器和端點(diǎn)FIFO空間 7 0 xE000 0 xFFFF 詳細(xì)分布見(jiàn)圖 3 10 總共 有 8 5K 的程序和地址空間 如果端點(diǎn)緩沖區(qū)沒(méi)有用到 也可以用來(lái)存放數(shù)據(jù) 程序可 設(shè)置范圍為0 x0000 0 x1FFF 數(shù)據(jù)可設(shè)置范圍為0 x0000 0 x1FFF 0 xE000 0 xE200和 0 xF000 0 xFFFF 僅在端點(diǎn)緩沖區(qū)沒(méi)有使用的情況下可以設(shè)置 如果程序使用了中斷 則 地址空間 0 x0000 0 x0080 空間作為中斷程序入口地址 不能使用 地址空間設(shè)置見(jiàn)圖 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 3 11 對(duì)于128引腳封裝FX2 如果擴(kuò)展了外部RAM 則外部RAM中數(shù)據(jù)可設(shè)置范圍是 0 x2000 0 xDFFF 程序可設(shè)置范圍是 0 x2000 0 xFFFF 圖 3 9內(nèi)嵌外部RAM 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 圖 3 10 寄存器和斷點(diǎn) FIFO 地址 圖 3 11 XDATA 和 CODE 空間分配 各地址空間訪問(wèn)方法包括寄存器 內(nèi)部 RAM 和外部 RAM 4 CY7C68013 的枚舉和重枚舉 1 FX2 的枚舉 9 當(dāng)首次插入一個(gè)USB 設(shè)備時(shí) 要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟 主機(jī)向地址 0 發(fā)送Get Descriptor Device 獲取描述符 設(shè)備 的要求 設(shè)備用固件下載之前的 PID 響應(yīng)主機(jī)的要求 主機(jī)根據(jù)設(shè)備應(yīng)答 ID 安裝下載固件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 由固件裝載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 將設(shè)備的固件下載到 FX2 芯片上 固件裝載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使 8051 脫離復(fù)位狀態(tài) 并開(kāi)始運(yùn)行固件應(yīng)用程序 8051 固件在電氣上斷開(kāi)FX2 設(shè)備與USB 總線(xiàn)的連接 以上的過(guò)程 就稱(chēng)為 FX2 的枚舉 2 FX2 的重枚舉 因?yàn)镃ypress 公司的EZ USB 2100 系列 FX 系列和FX2 系列具有軟特性 所以它能 在許多不同的USB 設(shè)備中表現(xiàn)出共性 當(dāng)插上外圍設(shè)備時(shí) 設(shè)備首先通過(guò)USB 總線(xiàn)下載 的是8051 的固件和設(shè)備描述符 下載完成后 當(dāng)下一次設(shè)備訪問(wèn)時(shí) 該設(shè)備就作為信息 中所定義的完全不同USB 外設(shè)來(lái)處理 這兩步的過(guò)程稱(chēng)為 重枚舉 3 1 3 ADS7825P 簡(jiǎn)介 目前 隨著數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的日益普遍 為了滿(mǎn)足不同場(chǎng)合和分辨率的要求 模數(shù)轉(zhuǎn) 換芯片也是種類(lèi)繁多 選擇 A D 轉(zhuǎn)換芯片需要考慮器件本身的性能和具體的應(yīng)用要求 選擇 A D 轉(zhuǎn)換芯片要考慮一些參數(shù)指標(biāo) 如芯片精度 芯片的轉(zhuǎn)換速度和芯片的轉(zhuǎn)換量 程等 1 精度 與系統(tǒng)測(cè)量的信號(hào)范圍有關(guān) 但估算時(shí)要考慮到其他因素 轉(zhuǎn)換器位數(shù)應(yīng) 該比總精度要求的最低分辯率高一位 常見(jiàn)的 AD 器件有 8 位 10 位 12 位 14 位 16 位等 2 速度 應(yīng)根據(jù)輸入信號(hào)的最高頻率來(lái)確定 保證轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要高于系統(tǒng)要 求的采樣頻率 3 模擬信號(hào)類(lèi)型 通常 AD 器件的模擬輸入信號(hào)都是電壓信號(hào) 而 DA 器件輸出的 模擬信號(hào)有電壓和電流兩種 為了匹配 USB2 0 的高速傳輸特性 滿(mǎn)足廣泛的實(shí)際需要 本設(shè)計(jì)選用的是采樣速 度快 分辨率高的 A D 轉(zhuǎn)換器 ads7825p ADS7825是Burr Brown公司生產(chǎn)的4通道16位CMOS A D轉(zhuǎn)換器 精度高 轉(zhuǎn)換速率 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 快 具有如下特點(diǎn) 1 數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)25 s 2 單一 5 V電源供電 最大功耗為50 mw 3 4路模擬輸入 輸入電壓范圍為 10 V 4 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可以并行和串行輸出 5 補(bǔ)碼輸出ADS7825的轉(zhuǎn)換速度和精度在同類(lèi)產(chǎn)品中是比較高的 因此是常用的高 速數(shù)據(jù)采集A D轉(zhuǎn)換芯片 ADS7825的引腳如圖3 12所示 圖 3 12ads7825 引腳 主要控制引腳及說(shuō)明 BYTE 字節(jié)選擇端 僅用于并行模式 當(dāng)BYTE為高電平時(shí) 在D0 D7 端輸出低8 位數(shù)據(jù) 當(dāng)BYTE為低電平時(shí) 輸出高8位數(shù)據(jù) R C 讀數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換選擇端 通過(guò)該引腳可以完成啟動(dòng)A D轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀出 CS 片選端 不論是啟動(dòng)轉(zhuǎn)換還是讀出數(shù)據(jù) 都要對(duì)該引腳進(jìn)行低邏輯電平操作 BUSY 忙端 在開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換之后 要維持該引腳為低電平 直到轉(zhuǎn)換結(jié)束并把轉(zhuǎn) 換的數(shù)鎖存到輸出寄存器為止 PAR SER 并行 串行數(shù)據(jù)輸出選擇端 當(dāng)該引腳為高電平時(shí) 8位并行數(shù)據(jù)在D0 D7 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 端輸出 當(dāng)該引腳為低電平時(shí) 串行數(shù)據(jù)在16引腳SDATA端輸出 CONTC 連續(xù)轉(zhuǎn)換輸入端 當(dāng)CONTC為低電平時(shí) 完成通常情況下的A D轉(zhuǎn)換 當(dāng) CONTC為高電平時(shí) 只要CS R C PWRD 保持低電平 就可以完成4個(gè)輸入通道 連續(xù)循環(huán) 的A D轉(zhuǎn)換 如下表3 4是ADS7825主要控制引腳功能表 表 3 4 ADS7825 主要控制信號(hào)功能表 BYTER C CS BUSY功 能 0轉(zhuǎn)換模式 用 CS 及 R C 逐次驅(qū)動(dòng) CONTC 0 00啟動(dòng) A D 轉(zhuǎn)換 000A D 正在轉(zhuǎn)換 001A D 轉(zhuǎn)換完成 可讀數(shù)據(jù) 101允許讀數(shù) 001BYTE 0 輸出 D8 D15 PAR SER 1 101BYTE 1 輸出 D0 D7 PAR SER 1 注 1 PAR SER 1 數(shù)據(jù) D0 D7 并行輸出 PAR SER 0 數(shù)據(jù) D0 D7 串行輸出 2 CONTC 0 轉(zhuǎn)換模式 用 CS 及 R C 逐次驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換 CONTC 1 轉(zhuǎn)換模式 采樣 4 道連續(xù)循 環(huán) 3 SYANC TAG SDATACLK EXT INT 在串行通信中使用 3 2 USB 采集系統(tǒng)原理電路設(shè)計(jì) 3 2 1 主芯片外圍電路設(shè)計(jì) USB控制器及其外圍電路組成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取和傳輸模塊 這部分電路主 要負(fù)責(zé)讀取和傳輸A D轉(zhuǎn)換ADS7825P轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) 并負(fù)責(zé)與PC的通信 10 由于 CY7C68013 集成了多重功能 所以外部電路就顯得不是很復(fù)雜 減少了一般電路復(fù)雜的 外部數(shù)據(jù)線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)的連接 提高了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性 USB控制器部分外圍電 路原理圖如圖 3 13 所CY7C68013 用自己的片內(nèi)晶振電路和一個(gè)外部 24MHz 晶振組成系 統(tǒng)的時(shí)鐘電路 它有一個(gè)片內(nèi)鎖相環(huán) PLL 電路 利用 PLL 可以24MHz 振蕩器頻率倍 頻至 480MHz 供收發(fā)器使用 CY7C68013內(nèi)部計(jì)數(shù)器把 24MHz 的頻率分頻為內(nèi)部 8051 需要的默認(rèn)的 12MHz 的時(shí)鐘頻率 XTAL IN 和 XTAL OUT為晶振的輸入和輸出引腳 分 別與晶振相連 同時(shí) 晶振的兩個(gè)引腳分別通過(guò)一個(gè) 22pF 的負(fù)載電容接地 DMINUS 和 DPLUS 為 U