基于USB2.0接口陀螺测试系统的设计

论文摘要

针对在激光陀螺测试中,每4ms一次的数据采集并与计算机实时通信时出现的各种问题,设计了一种基于USB2.0高速接口的多路脉冲采集系统。本系统利用USB接口芯片中的端点缓冲区（FIFO）存放每4ms采集到的数据,并以1s为时间间隔,由主机把这些数据读入,成功的检测了陀螺在上电后2.8s内的点火次数和点火时间,陀螺在2.8～2.9s内的漂移量以及在2.9s以后在三个方向上自由度以4ms为周期的转动变化。文中首先详细地阐述了USB2.0基本规范,着重探讨了USB总线协议和通信原理;接着概述了陀螺测试方面的基本知识,介绍了USB脉冲数据采集系统硬件的搭建以及FPGA中电路原理图的设计;然后论述了相应固件程序和WDM模式驱动程序的总体结构以及驱动程序中各个子模块的功能和特点,并结合本设计说明如何编制一个WDM型设备驱动程序来实现应用程序与USB设备之间的通信;最后,详细论述应用程序如何对USB接口上传的数据进行实时处理和显示。硬件设计主要包括搭建信号预处理模块、FPGA计数模块以及数据采集系统和上位机之间的通信接口电路。本系统采用CYPRESS公司的CY7C68013芯片作为USB2.0接口芯片,采用ALTERA公司的FPGA EPF10K10实现计数模块,同时在FPGA内部构建系统控制器,实现对FIFO的控制。软件编程分为三部分:第一,为满足系统要求,使用C51语言编写USB固件程序;第二,在PC机中的Windows系统环境下,用VC++6.0和DrvierStudio编写USB设备驱动程序;第三,为保证数据采集的实时性,用VC++编写出的数据采集应用程序。通过本数据采集系统的设计,可以深刻地理解USB2.0协议,熟练地应用CY7C68013接口芯片,并且能更好领悟USB2.0接口的优势。本系统使用FPGA实现计数器及逻辑控制模块的功能,计数频率范围可达0.01Hz～16MHz;经测试,系统性能可靠,且能长时间稳定运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 陀螺概述
• 1.2 USB总线发展情况
• 1.3 课题背景
• 1.4 本文主要的研究工作
• 1.5 论文的结构安排
• 2 USB 基本架构及其通信原理
• 2.1 USB的基本特征
• 2.1.1 USB 系统结构
• 2.1.2 USB 通信流的模式与管线
• 2.2 USB设备的总线列举过程
• 2.3 USB设备的描述符及其标准设备请求
• 2.3.1 USB 设备的描述符
• 2.3.2 标准描述符的定义
• 2.3.3 USB 标准设备请求
• 2.3.4 数据包
• 2.3.5 主机是主控者
• 2.3.6 USB 的方向
• 2.3.7 帧结构
• 2.3.6 传输方式
• 3 系统设计要求与方案选择
• 3.1 陀螺测试的性能指标及方法
• 3.1.1 陀螺测试性能指标
• 3.1.2 陀螺性能误差
• 3.1.3 陀螺性能指标测试方法
• 3.2 测试系统概述
• 3.2.1 被测产品简介
• 3.2.2 测试要求
• 3.2.3 测试方案
• 3.3 系统设计方案
• 3.2.1 硬件设计方案
• 3.2.2 软件设计方案
• 4 硬件电路的设计
• 4.1 系统的硬件结构
• 4.2 信号预处理电路的设计
• 4.2.1 整形电路
• 4.2.2 光电隔离电路
• 4.2.3 输出放大电路
• 4.3 FPGA内部功能的实现
• 4.3.1 FLEX 10K 系列器件性能特点
• 4.3.2 FPGA 内部功能的实现
• 4.4 FPGA外部配置电路的设计
• 4.4.1 FPGA 在线配置电路的设计
• 4.4.2 FPGA 芯片配置的设计
• 4.5 USB接口电路
• 4.5.1 CY7C68013 的功能特性
• 4.5.2 CY7C68013 的管脚配置
• 4.5.3 USB 接口电路的连接
• 5 USB 固件程序的设计
• 5.1 固件框架
• 5.1.1 固件框架的规划
• 5.1.2 框架函数挂钩
• 5.2 描述符定义
• 5.3 专用设备固件程序
• 5.4 中断处理
• 5.5 固件函数库
• 6 驱动程序的设计
• 6.1 WDM简介
• 6.1.1 WDM 驱动程序运行机制
• 6.1.2 标准总线驱动程序和类驱动程序
• 6.1.3 WDM 设备驱动程序的组成结构
• 6.1.4 USB 驱动程序配置和框架
• 6.2 WDM开发工具的选择
• 6.3 USB陀螺测试系统驱动程序的开发
• 6.3.1 驱动程序开发环境的设置
• 6.3.2 利用DriverWizard 生成驱动程序框架和设备配置信息
• 6.3.3 驱动程序功能实现
• 6.3.4 驱动程序的安装与调试
• 7 应用程序的设计
• 7.1 应用程序对驱动程序的访问
• 7.2 WDM驱动程序和应用程序的通信
• 7.3 应用程序的设计
• 7.4 测试结果分析
• 8 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文