基于Cortex内核处理器的USB高速数据采集技术研究

摘要

通用串行总线USB(UniversalSerialBus)具有高传输速率、即插即用和易于扩展等优点而被应用于计算机外设、数字设备和智能仪器仪表的数据传输接口上。而新一代基于Cortex内核的嵌入式处理器，因其低廉的成本和优越的性能正在被广泛地应用于工业测控领域。将USB技术与嵌入式处理器的结合，是一种实现数据采集与传输的理想解决方案。 本文在深入研究USB总线协议的基础上，设计了以嵌入式处理器进行现场数据采集、以USB进行高速数据传输、最终在上位主机上完成数据后续处理的系统，并完成了系统的软件、硬件和数据处理方法的调试。具体研究工作如下： 1.深入研究了USB总线的原理与规范。掌握其电气连接特性、拓扑结构及四种传输方式在数据格式、数据包容量、总线访问限制等方面各自不同的特征。 2.将集成有USB接口的新型嵌入式处理器STM32F103作为主控芯片，进行了系统硬件电路的设计与调试。充分发挥了这种基于Cortex内核的嵌入式处理器强大的控制、处理和USB总线的高速快捷传输功能。 3.编写了USB的固件程序和基于Windows平台的驱动程序。固化在控制器中的代码能在上电后自动完成USB设备的配置与初始化，并提供总线的数据传输中断服务。基于Windows平台的驱动程序为终端USB设备的自动检测、识别与正常工作提供支持。 4.进行了主机应用程序的设计，使主机应用程序提供了友好的人机界面，并实现了采集结果的可视化输出。 5.最后，结合油田井下数据采集存储数据的USB高速回放问题，进行了实验研究和实用测试。结果表明，该研究设计的高速采集与数据传输效果能够达到工程设计的测控环境使用要求。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2数据采集系统常用的数据传输方式

1.2.1并行类接口

1.2.2串行类接口

1.2.3 ISA总线与PCI总线

1.3通用串行总线(USB)

1.3.1 USB总线的产生及其主要特点

1.3.2 USB技术现状分析

1.4研究目的及主要研究内容

第2章USB通信原理及系统总体框架设计

2.1 USB协议概述

2.1.1 USB系统构成

2.1.2 USB电器连接特性

2.1.3 USB信号特性

2.1.4 USB总线通道

2.1.5 USB数据传输类型

2.1.6 USB描述符

2.2 USB数据采集系统设计

2.2.1 USB系统的层次对应关系

2.2.2数据采集系统构成

2.2.3系统性能及设计目标

2.3本章小结

第3章硬件电路及固件程序设计

3.1引言

3.2 ARM处理器芯片选型

3.3硬件电路设计

3.4固件程序设计

3.4.1固件同设备驱动程序的关系

3.4.2固件程序功能及框架流程

3.4.3 USB枚举

3.4.4 USB端点配置

3.4.5 STM32F10xxx USB固件库简介

3.4.6自定义通信协议

3.5本章小结

第4章USB设备驱动程序设计

4.1 WDM概述

4.2 WDM驱动程序的分层

4.2.1设备驱动程序的执行模式

4.3设备驱动程序的组成

4.3.1驱动程序入口例程

4.3.2即插即用例程

4.3.3分发例程

4.3.4电源管理例程

4.3.5卸载例程

4.4开发工具的选择

4.5 USB设备驱动的编写及生成

4.6 INF文件

4.7本章小结

第5章主机应用程序设计

5.1功能函数

5.1.1打开设备

5.1.2设备I／O控制

5.1.3关闭设备

5.2用户服务程序

5.3系统调试

5.4本章小结

第6章数据采集系统的工程应用

6.1工程背景

6.2系统设计架构

6.3前端采集存储电路

6.4系统使用过程

6.4.1记录状态

6.4.2 USB操作状态

6.5系统推广应用前景

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢