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基于USB通信的嵌入式主从机系统设计与应用

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摘要

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 嵌入式系统研究综述

1.3 USB总线概述

1.4 论文的主要工作及研究成果

1.5 论文内容与结构

2 嵌入式系统的硬软件架构设计

2.1 系统平台功能

2.2 系统总体架构及原理

2.3 系统硬件架构设计

2.3.1 嵌入式主机硬件平台定制

2.3.2 从机端硬件平台定制

2.4 系统软件架构设计

2.4.1 嵌入式主机软件

2.4.2 从机端软件

2.5 本章小结

3 USB通信系统架构设计

3.1 USB接口技术

3.1.2 USB总体架构

3.1.3 USB拓扑结构

3.1.4 USB数据通信结构

3.1.5 USB通信模型

3.2 基于USB技术的嵌入式主机端架构设计

3.2.1 嵌入式USB主机系统

3.2.2 高速USB子系统

3.2.3 高速USB2.0 ULPI收发器

3.2.4 AM3517与USB3320连接电路

3.3 嵌入式USB从机端设计

3.3.1 微控制系统(Mircocontroller Subsystem)

3.3.2 USB设备控制器ISP1583

3.3.3 Cortex-M3与IPS1583的连接电路

3.4 本章小结

4 嵌入式Linux系统下USB驱动程序实现

4.1 嵌入式Linux设备驱动研究

4.1.1 Linux设备驱动与整个软硬件系统的关系

4.1.2 Linux设备驱动程序的分类及特点

4.1.3 Linux设备驱动原理

4.1.4 Linux内核模块

4.2 嵌入式主机端USB设备驱动程序

4.2.1 Linux USB子系统架构

4.2.2 Linux USB设备驱动程序基础

4.2.3 USB设备驱动的关键数据结构

4.3 USB设备驱动程序实现

4.3.1 定义USB设备结构体

4.3.2 驱动模块注册和销毁

4.3.3 USB注册与销毁

4.3.4 USB设备匹配

4.3.4 USB设备驱动探针

4.3.5 USB类驱动与文件操作结构

4.3.6 打开设备

4.3.7 关闭设备

4.3.8 读写设备

4.4 本章小结

5 USB固件编程及测试分析

5.1 uCOS-Ⅲ实时操作系统

5.1.1 任务管理

5.1.2 就绪列表

5.1.3 调度

5.1.4 上下文切换

5.1.5 中断管理

5.1.6 消息传递

5.2 Cortex-M3工程

5.2.1 uCOS-Ⅲ任务

5.3 基于Cortex-M3处理器的USB服务程序

5.3.1 ISP1763A与微处理器接口方式

5.3.2 ISP1763A的基本流程

5.3.3 上电初始化

5.3.4 配置端点

5.3.5 中断函数

5.3.6 处理复位中断

5.3.7 从端点的缓冲区读数据

5.3.8 写入数据到端点的缓冲区

5.4 实验测试

5.4.1 系统烧写及启动测试

5.4.2 驱动模块编译

5.4.3 挂载内核模块

5.4.4 数据传输测试

5.5 本章小结

6 工程应用——滑坡监测系统

6.1 项目背景

6.2 硬件系统

6.3 控制软件

6.3.1 功能框图

6.3.2 功能性需求

6.3.3 应用程序

6.4 测试与分析

6.4.1 计算原理

6.4.2 实验测试及分析

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

参考文献

附录

致谢

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摘要

随着计算机技术和电子信息技术的高速发展,嵌入式系统的芯片级和系统级设计水平越来越高,功能也越来越强大。其主要的微处理器代表为ARM公司所设计的最新的Cortex系列微处理器,操作系统代表为嵌入式Linux、Wince和uCOS等等。嵌入式系统的设计理念在通信、仪器等许多领域得到了广范的研究和应用。在针对不同的应用目的时,都会设计相应的嵌入式系统。
  在课题研究中,将嵌入式系统结合当下越来越成熟和通用的串行总线(USB)通信技术,提出一种基于USB通信的嵌入式主从机系统设计方案,并将其应用到滑坡监测系统设计中,主要研究工作如下。
  首先对研究的背景和意义进行了分析,总结了嵌入式系统现状,并引入研究问题。根据嵌入式系统的研究状况,分析了USB的传输过程,提出了基于USB通信的嵌入式主从机系统的总体设计方案。
  其次,在总体设计方案的基础上,进行了系统硬件架构和软件架构的分析设计,并进行了硬件和软件系统平台定制。从扩展的兼容性和速度等方面考虑,在数据的传输设计中,引入高速的USB数据传输方案,并进行了主从机的USB通信系统关键模块的设计。
  接下来,在研究了Linux内核的USB子系统架构的基础上,进行了USB设备驱动程序及微控制器上的USB固件程序设计,并进行了相关开发测试工作。
  最后,在基于USB通信的嵌入式主从机系统的设计思路下,将其应用在滑坡监测系统设计之中,并进行了相关测试工作,在稳定性和精确性上达到工程设计的要求。

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