基于USB接口数据采集系统设计-计算机系统结构专业论文.docxVIP

第一章绪论 1.1 课题背景和研究意义 数据采集是指对温度、湿度、电流、电压等模拟信号进行采集，并由模数转换器转换为数字信号， 最后通过计算机对采集的数据进行存储、显示等处理操作。数据采集是获取信息的主要手段，数据采集 技术与传感器技术、计算机技术、信号处理技术密切相关 [1] 。随着计算机技术和集成电路的发展，数据 采集技术的应用领域将更加广泛，比如:医学领域信号采集、通信领域信号处理、工业自动控制领域等。 与此同时，人们对信号采集的各项指标，如:采样速率、实时性、采样精度以及抗干扰等方面也提出了 越来越高的要求。 传统的数据采集主要应用数据采集卡，而其采用的接口主要是 ISAIPα 接口以及 PC 机的外部接口。 采用这种接口的主要缺陷是采集卡易受高频信号的干扰，降低数据采集的稳定性，进而由于系统与 PC 机接口的瓶颈作用而丢失部分数据 [2] 。这些数据采集设备价格昂贵、安装极不方便(必须断开电源，打 开机箱进行操作)，同时受计算机插槽数目、中断资源的限制，可扩展性差。当应用在一些电磁干扰性 强的场合时很难对其电磁屏蔽，导致数据采集失真，影响采集精度。随着计算机技术的不断进步，通用 计算机的外设接口发生了很大的变化， USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)逐渐代替传统的并口、 串口成为计算机外设的主要接口。它的出现使传统的数据采集系统所存在的问题可以得到很好的解决。 如今，在数据采集、仪器和控制工程等方面，使用 USB 接口与 PC 机交换信息有着传统串口不可 比拟的优势，它的星形拓扑结构允许一个 USB 口接入多台 USB 设备，它的信息包式的通信规范具有可 靠性高、速度快的特点。 USB 采用差分方式进行数据传输，设备的控制和数据的交换完全由 USB 传输 协议进行控制，如果有多个设备接入到主机中，在某一时刻只有一个设备和主机进行通信，其它设备只 能等候主机轮到与自己通信时才能占用数据通道，不存在设备占用系统资源的限制，而且 USB 设备支 持热插拔，不用断开电源就可以进行设备的卸载和安装，在一定程度上解决了传统设备安装不方便的缺 点。对于工业应用来说，简单的和便宜的 USB 能改进或满足自动化和工业应用的很多需求， USB 的高 性能使得开发人员不用开发新的标准或驱动程序就能实现与其它设备的通信， USB 提供了数据采集、 传输和工业设备中的控制信号的通信路径，很好的满足了对工业现场数据采集的要求 [3][4] 。 虽然在诞生之初， USB 便尽最大的可能为使用者的方便着想，尽最大可能的提高了传输速度，但 其本身仍具有不可避免的缺陷。首先是宽带的使用情况:虽然传输速率理论上能达到 480:rvIb怀，事实上 要将其应用到实时的图形处理或视频信号实时传输，却显得远远不足。例如，在传输画质比较低劣的 640x480x24(bit) X 30σnunls) 的图像信号时，需要的带宽约为 220:rvIbitJs[匀，己经几乎是 USB2.0 可用的 全部带宽了。其次是点对点的通信，几乎所有的 USB 设备之间的通信都是由主机发起的，从而导致了 一个关键的问题，即 USB 设备之间不能做直接的数据交换，而必须在主机的介入下才能完成。另外， 对旧硬件的支持不足和传输距离的限制也会影响系统的传输速度。在数据采集系统当中，衡量系统优劣 的一项最重要的指标就是传输速度的大小，因此对基于 USB 接口的数据采集系统进行深入的研究，仍 具有很重要的现实意义。 1.2 USB 的优势 USBl.O 是由 COl即aq、InteI... MiCl‘osoft.、NEC 等四家公司于 1996 年 1 月推出的新型接口规范， 经过长时间的发展， USB1.l USB2.0 接口相继问世。 USB 之所以能够被广泛采用是因为 USB 具有以 下优点[句: 1.真正的即插即用。当用户需要将 USB 设备连接到 PC 机上进行功能扩展时，只需要将外设的连 线插入 PC 机的 USB 接口上就可以了，其余的配置由操作系统来完成。如果接入的是 HID 设备，操作 系统会自动地识别并为其配置合适的驱动程序之后，用户就可以使用这个设备，因此使用起来会非常方 便。 2. 多种速度模式。 USBl.l标准的接口最快可达 12:NIbps，可以满足绝大多数多点数据采集系统的 要求，在 PC 主机和采集系统都具备支持 USB2.0 标准的接口芯片时，最快可以达到 480:NIb胖，可以满 足高速数据采集的要求。像许多接口一样， USB 接口是向下兼容的，也就是说，高速的 USB 设备与 USB1.1 接口在机械电气等方面是兼容的。 3. 完备的总线拓扑结构。 USB 是星形总线拓扑结构，能够支持多达 127 个外设同时连接