嵌入式USB主机数据采集系统的研发

摘要

本课题是将USB主机技术应用到便携式数据采集系统中来，设计成一个嵌入式USB主机数据采集系统。系统利用多单片机采集数据和控制数据的传输，它由硬件和软件两部分组成，硬件包括一块控制板、四块数据采集板、一块面板，一块单片机之间的数据线连接板。其中四块数据采集板是完全一样，每块板设有两个通道，分别包括应变放大电路、电荷放大电路、专门的增益放大电路以及滤波电路，利用单片机内集成的12位A/D进行数据采集，以及单片机与USB芯片的接口电路。控制板中有设备枚举、各个状态的查询、传送和控制的电路以及双模式供电电路。在对课题项目进行了充分的调查研究并参考了国内外相关的最新资料后，根据数据采集器的性能需要，结合数据采集器在设备检测与故障诊断方面的应用，规划了系统的整体设计框架；通过研究研究USB协议，按照设计要求选择USB接口芯片SL811HS和单片机C8051F021做为控制器，完成了本系统硬件的原理框图、电路图，制作了PCB板并焊接好元器件；使用KeilC51编写了USB主控制器程序和设备的驱动程序、建立精简的FAT文件系统、对设备端(单片机系统)固件编程，建立了本系统适用的固件结构，并进行各部分的调试。 由于本嵌入式USB主机数据采集系统只需配置一个低功耗的支持MassStorage的Flash盘，所以设计时侧重主机枚举USB设备功能的实现、USB批量传输的实现、MassStorage类协议调用批量传输来传输各种类协议请求命令的实现以及传输单片机所采集的数据的实现。 为了读/写USB闪存盘中的基于FAT构架的文件，在MassStorage类的基础上，在主机系统中建立一个精简的FAT文件系统。它利用MassStorage类提供的各种类请求命令来进行文件的传输。FAT文件系统对USB闪存盘的结构进行系统化，按照特定的规定以文件形式来管理闪存盘内的数据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的提出及意义

1.2计算机技术的发展与数据采集系统

1.3便携式系统数据采集技术

1.4通用串行总线-USB

1.4.1 USB发展及规范

1.4.2 USB的优点

1.5开发嵌入式USB主机数据采集系统的重要性

1.6本课题研究的主要内容

第二章信号的采集与处理

2.1概述

2.2信号的拾取

2.2.1 A/D转换的基本原理

2.2.2采样与量化

2.2.3高速采样的实现

2.2.4本系统A/D的实现

第三章系统USB相关协议概述

3.1概论

3.2数据通信协议简介

3.3数据传输类型

3.4标准的USB设备描述符和请求命令

3.4.1标准的USB描述符

3.4.2标准的USB设备请求命令

3.5 USB MASS STORAGE类协议

3.5.1单批量Bulk Only传输协议

3.5.2 Mass Storage的子类命令简介

第四章芯片的选取及应用

4.1嵌入式USB主机接口芯片SL811HS简介

4.1.1 SL811HS的功能模块及特点

4.1.2芯片SL811HS引脚分布

4.1.3 SL811HS(T)相关寄存器

4.2 CPU控制器芯片C8051F021简介

4.2.1 C8051F021芯片概况及功能

4.2.2 C8051F021芯片I/O口与数字交叉开关

4.2.3 C8051F021芯片极限参数

4.3运算放大器TLC4501与AD627

4.4开关电容低通滤波器MAX291

第五章系统电路设计与实现

5.1系统整体构架设计

5.2控制板的电路设计

5.2.1控制板的双供电电源电路设计

5.2.2时钟电路和复位电路设计

5.2.3 C8051F021与SL811HST通信接口电路设计

5.2.4 USB下行端口电路与JTAG接口电路设计

5.2.5其他状态设计

5.3采集板的电路设计

5.3.1电荷放大电路设计

5.3.2应变放大电路设计

5.4系统的可靠性设计

5.5电路仿真及PCB设计制作

5.5.1电路仿真

5.5.2 PCB的设计与制作

5.6 PCB上元器件的焊接

5.6.1 TQFP及SO封装的焊接

5.6.2 0805等贴片电阻电容的焊接

5.6.3 DIP、非贴片电阻电容的焊接

5.6.4焊接后的PCB清理

第六章文件系统分析

6.1 Nand Flash文件系统

6.2 FAT16文件系统

第七章系统软件设计

7.1主控制板程序的实现

7.2数据采集板程序的实现

第八章结论与展望

8.1结论

8.2展望

8.2.1什么是USB ON-THE-GO

8.2.2 USB OTG设备的功能

8.2.3 USB OTG总线的电流要求

8.2.4 USB OTG体系的软件描述

8.2.5开发USB OTG设备

参考文献

致 谢