基于USB2.0的高速数据采集系统

论文摘要

USB接口因其易用、真正的热插拔等优点在测量仪器领域广泛应用。本文基于USB2.0高速传输开发了便携式高速数据采集系统,并针对如何提高系统的数据传输速度和USB设备驱动的开发进行了深入研究。首先研制了采用LPC2888作为核心控制器的USB数据采集系统。利用其内部集成USB高速设备控制器完成从数据缓存到USB总线DMA方式的数据传输;利用其GPDMA控制器实现从数据采集模块到数据缓存的DMA传输;并通过数据缓存的半满、全满中断对两个DMA操作进行协调,完成了DMA方式的数据传输流程。经测试,系统工作流程正确,但由于LPC2888从外部IO口到内部缓存的DMA传输过程速度较低成为系统带宽瓶颈,系统实时采样率限制在2Msps。为提高系统整体数据传输速度,重新设计并实现了以FPGA为核心控制器、以CY7C68013为接口芯片的USB数据采集系统。经测试,系统工作稳定可靠,数据采集传输结果正确,系统实时采样率达10Msps。本文以上述两个系统为基础,着重对USB接口系统的数据传输速度进行了测试分析。经过优化设计,两个系统的USB接口数据传输速度分别达到了14.0MB/s和37.4MB/s。使USB数据采集系统中数据传输速度普遍较低的问题得到了解决。最后对影响USB接口数据传输速度的因素进行了分析。在USB设备驱动的开发上,本文在两套系统中成功应用了VISA方法。验证了VISA是一种开发USB接口应用系统的通用方法。在CY7C68013系统上,对VISA生成的驱动和接口芯片生产厂商提供的驱动进行了比较测试。两种驱动均能够实现系统工作流程且系统运行稳定,但VISA驱动的执行效率稍逊于接口芯片厂商提供的驱动。CY7C68013接口芯片使用VISA驱动和Cypress公司提供的驱动所能达到的最大带宽分别为21.9MB/s和37.4MB/s。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 数据采集系统介绍
• 1.2 USB 数据采集系统的发展状况
• 1.2.1 国内外发展现状
• 1.2.2 目前存在的问题
• 1.3 USB 总线概述
• 1.3.1 USB 总线的基本特点
• 1.3.2 USB 工作方式
• 1.3.3 USB 协议要点
• 1.4 设计的主要功能及技术指标
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 基于LPC2888 的USB 数据采集系统设计
• 2.1 总体方案
• 2.1.1 USB 高速设备接口的方案选择
• 2.1.2 LPC2888 芯片介绍
• 2.1.3 系统总体结构及工作方式
• 2.2 关键模块设计
• 2.2.1 USB 接口设计
• 2.2.2 数据采集模块设计
• 2.3 PCB 制板注意事项
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于LPC2888 的系统实现及测试结果
• 3.1 数据传输过程DMA 方式的设计与实现
• 3.1.1 从CPLD 到数据缓存的DMA 传输
• 3.1.2 USB 高速设备接口的DMA 传输
• 3.1.3 两个DMA 传输环节的协调
• 3.2 LPC2888 程序设计
• 3.2.1 程序总体流程
• 3.2.2 启动代码的编写
• 3.2.3 系统时钟的配置
• 3.3 上位机软件设计
• 3.3.1 设备驱动程序
• 3.3.2 系统应用程序
• 3.4 系统测试结果
• 3.4.1 系统工作流程正确性测试
• 3.4.2 系统整体数据传输速度测试
• 3.4.3 USB 接口数据传输速度测试
• 3.4.4 测试结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于CY7C68013 的USB 数据采集系统设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 系统设计
• 4.2.1 FX2 接口芯片
• 4.2.2 系统总体结构
• 4.2.3 系统缓存的设计
• 4.2.4 模拟部分的改进
• 4.3 系统实现
• 4.3.1 系统工作流程
• 4.3.2 FX2 芯片固件程序
• 4.3.3 驱动程序和应用程序
• 4.4 系统测试结果
• 4.4.1 系统工作流程测试
• 4.4.2 数据传输正确性测试
• 4.4.3 系统数据传输速度测试
• 4.5 两种驱动测试结果比较
• 4.6 本章小结
• 第5章 影响USB 数据传输速度的因素分析
• 5.1 引言
• 5.2 USB 通信协议开销
• 5.3 USB 带宽的分配
• 5.4 USB 主机端系统结构
• 5.4.1 USB 在PC 机中的位置
• 5.4.2 USB 主机端系统分层
• 5.4.3 影响因素分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢