基于USB的数据采集系统设计
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摘要
数据采集技术是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等，涉及模拟信号调理、模拟信号数字化、数字信号处理等，具有很强的实用性。
数据采集技术在工业控制系统中应用广泛。数据采集设备可实现对生产现场的各种参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。此外，在科学研究中，该装置也有着重要的使用价值，可获得大量的动态与静态信息，是科学研究的有力工具，也是探索科学奥秘的重要手段之一。
随着计算机、微电子等技术和数据采集理论的迅速发展，数据采集系统的应用范围也在日益扩大，已逐步成为促进各个有关科技领域发展的重要手段。
USB总线从诞生起就给许多领域带来了一场巨大的变革。它以灵活、方便、应用范围广、通信稳定、成本低廉等优点，使USB接口成为PC机的通用接口，尤其在USB总线实现传输速度达到480Mb／s之后，其应用范围更加广阔，一些原来不能应用USB的场合也可以使用，如大容量的数据采集、高保真的图像视频传输等。
本文在分析USB协议的基础上，围绕设计目标，从整体方案、控制芯片及传输类型的设计选择，以及基于USB的实时数据采集软件设计等方面阐述了主要的设计研究工作。文章介绍了项目的总体概括，对采集系统的功能作了简要概述，并在此基础上，重点对硬件电路、固件程序、USB设备驱动程序和PC机Windows应用程序的设计实现进行了深入论述。USB控制芯片采用微芯公司的PIC18f2550单片机，硬件电路板经过试验测试，工作正常，性能稳定。设备驱动程序的开发采用Windows DDK和Visual C++，上位机应用程序采用Visual C++开发。
Data acquisition technology is a synthetical application technology based on technologies of sensor, signal measure and disposal and computer, which is studied on data acquisition, memory, disposal and control, related to analog signals disposal, transition from analog signal to digital signal, digital signal disposal.
Technique of data acquisition is widely applied in industry control system, In production engineering, applying data acquisition device can implement acquisition, surveillance and records of processing parameters of field production, and offer information and means for improving quality of products and reducing cost, In science research, applying this system can acquire a mass of dynamic and static information; it is the forced tool for science researching, and one of important means of acquiring science inscrutability.
With the development of computer and microelectronics technology and data acquisition theory, data acquisition system is widely applied, and it promoted the development of the involved fields of science and technology.
Tremendous changes have occurred in many fields after USB come forth. Using USB is flexible and convenient in many fields with low cost, and USB interface becomes the general interface of computer. After transmission speed of USB reach up to speed of 480Mb/s, it is used more widely. For example, bulk data acquisition and high fidelity transmission of image video can carry out based of USB.
According to the designing requirement of the project, we discuss and confirm the whole design scheme of the system on the basis of study on USB protocol, as well as the key issues of the selection of control chip and transfer type and real-time data acquisition system software design. In this article, general situation of the subject is presented, design and functions of data acquisition system are briefly described. On the basis of it, the emphasis is put on the detailed design of the firmware program, the USB driver program and the Windows application program. PIC18f2550 microcontroller is used as USB controlling chip. After the rigorous testing, hardware circuit board works well. Windows DDK and Visual C++ are adopted to make the device driver, and data acquisition system software is designed depending on Visual
C++.
数据采集技术在工业控制系统中应用广泛。数据采集设备可实现对生产现场的各种参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。此外，在科学研究中，该装置也有着重要的使用价值，可获得大量的动态与静态信息，是科学研究的有力工具，也是探索科学奥秘的重要手段之一。
随着计算机、微电子等技术和数据采集理论的迅速发展，数据采集系统的应用范围也在日益扩大，已逐步成为促进各个有关科技领域发展的重要手段。
USB总线从诞生起就给许多领域带来了一场巨大的变革。它以灵活、方便、应用范围广、通信稳定、成本低廉等优点，使USB接口成为PC机的通用接口，尤其在USB总线实现传输速度达到480Mb／s之后，其应用范围更加广阔，一些原来不能应用USB的场合也可以使用，如大容量的数据采集、高保真的图像视频传输等。
本文在分析USB协议的基础上，围绕设计目标，从整体方案、控制芯片及传输类型的设计选择，以及基于USB的实时数据采集软件设计等方面阐述了主要的设计研究工作。文章介绍了项目的总体概括，对采集系统的功能作了简要概述，并在此基础上，重点对硬件电路、固件程序、USB设备驱动程序和PC机Windows应用程序的设计实现进行了深入论述。USB控制芯片采用微芯公司的PIC18f2550单片机，硬件电路板经过试验测试，工作正常，性能稳定。设备驱动程序的开发采用Windows DDK和Visual C++，上位机应用程序采用Visual C++开发。
Data acquisition technology is a synthetical application technology based on technologies of sensor, signal measure and disposal and computer, which is studied on data acquisition, memory, disposal and control, related to analog signals disposal, transition from analog signal to digital signal, digital signal disposal.
Technique of data acquisition is widely applied in industry control system, In production engineering, applying data acquisition device can implement acquisition, surveillance and records of processing parameters of field production, and offer information and means for improving quality of products and reducing cost, In science research, applying this system can acquire a mass of dynamic and static information; it is the forced tool for science researching, and one of important means of acquiring science inscrutability.
With the development of computer and microelectronics technology and data acquisition theory, data acquisition system is widely applied, and it promoted the development of the involved fields of science and technology.
Tremendous changes have occurred in many fields after USB come forth. Using USB is flexible and convenient in many fields with low cost, and USB interface becomes the general interface of computer. After transmission speed of USB reach up to speed of 480Mb/s, it is used more widely. For example, bulk data acquisition and high fidelity transmission of image video can carry out based of USB.
According to the designing requirement of the project, we discuss and confirm the whole design scheme of the system on the basis of study on USB protocol, as well as the key issues of the selection of control chip and transfer type and real-time data acquisition system software design. In this article, general situation of the subject is presented, design and functions of data acquisition system are briefly described. On the basis of it, the emphasis is put on the detailed design of the firmware program, the USB driver program and the Windows application program. PIC18f2550 microcontroller is used as USB controlling chip. After the rigorous testing, hardware circuit board works well. Windows DDK and Visual C++ are adopted to make the device driver, and data acquisition system software is designed depending on Visual
C++.
引文
[1] 古辉，微型计算机接口技术[M]，北京：科学出版社，2006，3～12
[2] 李肇庆，韩涛，串行端口技术[M]，北京：国防工业出版社，2004，1～8
[3] 萧世文，USB 2.0硬件设计[M]，北京：清华大学出版社，2002，4～21
[4] 张大朴，IEEE 1394协议及接口技术[M]，西安：西安电子科技大学出版社，2004，2～10
[5] 周立功，USB 2.0与OTG规范及开发指南[M]，北京：北京航空航天大学出版社， 2004，14～68
[6] Compaq,Hewlett-Packard,Intel,Universal Serial Bus Specification,Revision2.0,2000
[7] John Hyde，孙耀国，USB设计应用举例[M]，北京：中国铁道出版社，2002
[8] 边海龙，贾少华，USB 2.0设备的设计与开发[M]，北京：人民邮电出版社，2004，217～250
[9] 尹勇，李宁，PCI总线设备开发宝典[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2005，2～8
[10] 张明峰，PIC单片机入门与实践[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2004，221～253
[11] 512K I~2C CMOS Serial EEPROM, Microchip Technology Inc, 2005
[12] 2.7V to 5.5V Single-Supply CMOS Op Am, Mieroehip Technology Ine, 2004
[13] PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet, Microchip Technology Inc, 2004
[14] 赵负图，信号采集与处理集成电路手册[M]，北京：化学工业出版社，2002
[15] 陈启美，丁传锁，计算机USB接口技术[M]，南京大学出版社，2003
[16] 武安河，邰铭，于洪涛，Windows 2000／XP设备驱动程序开发[M]，北京：电子工业出版社，2003，75～108
[17] 孙守阁，徐勇，Windows设备驱动程序技术内幕[M]，北京：清华大学出版社，2000，7～36
[18] 张惠娟，周利华，翟鸿鸣，Windows环境下的设备驱动程序开发[M]，西安：西安电子科技大学出版社，2002，259～300
[19] 李宏凯，USB2.0总线技术在数据采集系统中的应用[D]，硕士学位论文，南京航空航天大学，2006
[20] 李莉，基于ARM处理器和嵌入式实时操作系统的数据采集装置设计[D]，硕士学位论文，太原理工大学，2006
[21] 刘继光，人体脉搏信号的采集装置[D]，硕士学位论文，沈阳工业大学，2006
[22] 李春彪，USB接口技术与应用研究[D]，硕士学位论文，南京理工大学，2004
[23] 张治国，基于USB2.0图像采集系统的研制[D]，硕士学位论文，长春理工大学，2004
[24] 吴剑锋，基于USB2.0的CCD数据采集系统[D]，硕士学位论文，浙江大学，2006
[25] 马千里，基于USB的多功能测试系统的研究[D]，硕士学位论文，浙江大学，2006
[26] 李怡，基于PIC单片机的海水有机磷实时数据采集与控制系统[D]，硕士学位论文，中国海洋大学，2005
[27] 卢奎刚，铁道罐车测量显示系统设计[D]，硕士学位论文，西南交通大学，2006
[28] 杨锟，智能回弹仪系统的研究[D]，硕士学位论文，合肥工业大学，2006
[29] 徐锋，镜片磨边数控系统硬件设计与扫描机软机开发[D]，硕士学问论文，南京航空航天大学，2005
[30] 高翔，基于USB的实时数据采集系统的设计和实现[D]，硕士学位论文，西北工业大学软件学院，2006
[31] Chris Cant，孙义，马莉波，国雪飞等，Windows WDM设备驱动程序开发指南[M]，北京：机械工业出版社，2000，315～324
[32] 陈俊，李治，用VC＋＋编写USB接口通信程序[J]，实践与经验，2003年06期
[33] 莫林利，赵秀绍，用VC＋＋实现与USB驱动程序的通信[J]，电脑编程技巧与维护，2003年01期
[34] 秦亮，杨学友，叶声华，基于PIC单片机的数字图像的采集与传输[J]，测控技术，2006年02期
[35] 徐磊，路宇英，陈建华等，基于USB块传输方式的实时数据采集[J]，测控技术，2005年02期
[36] 黄考利，连光耀，高凤歧等，基于USB2.0接口的数字电路测试仪设计与实现[J]，仪表技术，2006年04期
[37] 刘和平，刘林，余红欣等，PIC 18Fxxx单片机原理及接口程序设计[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2004
[38] David J．Kruglinski，Scot Wingo，George Shepherd，希望图书创作室，VisualC＋＋6.0 技术内幕，北京希望电子出版社，2002，96～125
[39] PICmicro 18C MCU 系列参考手册. Microchip Technology Inc, 2005
[40] Power Management for PIC18 USB Microcontrollers with nanoWatt Technology, Microchip Technology Inc, 2004
[41] Migrating Applications to USB from RS-232 UART with Minimal Impact on PC Software, Microchip Technology Inc, 2004
[42] USB Mass Storage Device Using a PIC MCU, Microchip Technology Inc, 2005
[43] Liang Ying, You Lei, Rao Shuhua, Design and implementation of data acquisition card based on USB, Computer Measurement & Control, 2005, vol. 13, no.4: 392-395
[2] 李肇庆，韩涛，串行端口技术[M]，北京：国防工业出版社，2004，1～8
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