具有主从USB接口的智能化数据采集系统的接口设计与实现

摘要

在科学技术研究和工业生产的各行业中，数据采集处理系统应用广泛。目前，USB设备的开发和应用在国内外处于高速发展阶段，具有广阔的发展前景。将USB应用于数据采集，可以很好地克服传统数据采集卡安装麻烦、易受机箱内环境干扰、受资源限制不可挂接很多设备等缺点，很容易实现高速实时、大容量、低成本、高可靠性、多点的数据采集，具有安装方便、即插即用、置于机箱外电磁干扰小、供电方便、容易扩展等优点。信息系统的一个发展趋势是以FPGA为代表的现场可编程技术在迅速崛起。SOPC(System OnProgrammable Chip)即可编程片上系统，它在FPGA中嵌入硬核或软核处理器，集处理器和FPGA/CPID的优点于一身，实现可配置SOC。将SOPC技术应用到USB数据采集处理系统设计中，可以简化系统，降低干扰，提高性能。 本论文研究设计的智能化数据采集处理系统用于在建筑等领域中对埋入建筑物的各类金属的腐蚀效应所起的电化学反应过程进行测量并具备智能存储处理功能。本系统在借鉴已有开发成果的基础上，不仅能够在联机情况下通过从USB接口与PC上位机进行通信，而且能够在脱机的环境下通过主USB接口将数据存储到U盘。系统结合使用了USB Slave和USB Host两种技术，兼备USB设备功能和嵌入式USB主机功能，实现了USB OTG，这是对以前工作的完善和拓展。 本论文在采用传统的单片机系统实现数据采集与存储实验成功的基础上，提出了用SOPC技术构建系统的方案，将单片机作为软核嵌入到FPGA中，实现软硬件协同设计。用到的工具有Altera公司的QuartusⅡ，并用原理图输入的方式设计FPGA中的逻辑电路。其特点是电路结构简单，通用性强，升级方便，产品生命周期长。 本论文结合使用SOPC技术和USB技术对大容量数据采集系统进行设计，主要完成了系统的硬件设计和固件编程。系统简单便于携带，适于实验室或者野外环境下采集数据的需要。该系统不仅能够在本课题中使用，在医疗、电力、环保等其他需要数据采集处理的领域也有应用价值和参考价值。

目录

文摘

英文文摘

首都师范大学位论文原创性声明及授权使用声明

第1章绪论

1.1立题依据及发展现状

1.1.1立题依据

1.1.2发展现状及趋势

1.2系统实现功能及意义

1.2.1系统实现功能

1.2.2系统实现意义

1.3论文内容及组织形式

第2章关键技术

2.1USB技术

2.1.1 USB概述

2.1.2 USB协议基础

2.1.3 USB协议栈设备框架

2.1.4 USB设备类

2.1.5 USB主机技术

2.2SOPC技术

2.2.1 SOPC设计技术产生的背景

2.2.2 SOPC设计技术国内外发展现状

2.2.3硬核与软核嵌入式系统处理器

2.2.4基于SOPC技术的数据采集处理系统

第3章系统组成

3.1系统整体构成

3.2总体设计方案

3.3芯片选择

3.3.1 Philips89C51RD2

3.3.2 USB接口控制芯片——ISP1581

3.3.3 USB主控制器芯片——SL811HS

第4章系统硬件电路设计

4.1电路系统概述

4.2多路选择、A/D转换和光电隔离电路

4.3多路选择与A/D转换控制电路

4.4数据缓存电路

4.5USB数据传输电路

4.6写U盘电路

4.7其他外围电路

4.7.1供电电路

4.7.2复位电路

4.7.3时钟电路

第5章系统软件设计

5.1单片机固件程序设计

5.1.1单片机程序总体结构

5.1.2联机工作固件程序

5.1.3脱机工作固件程序

5.2FPGA设计

5.2.1 FPGA功能模块

5.2.2 FPGA原理图设计

5.3CPLD设计

5.3.1 CPLD功能模块

5.3.2 CPLD原理图设计

5.4驱动程序设计与应用程序设计简要介绍

5.4.1驱动程序软件设计简介

5.4.2应用软件设计简介

第6章采用SOPC技术构建系统

6.1系统实现方案

6.1.1系统结构

6.1.2系统功能实现

6.2系统设计

6.2.1系统设计方法

6.2.2关键技术

第7章总结与展望

7.1全文总结

7.2展望

参考文献

致谢

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