基于USB技术的嵌入式专用设备的设计与实现

论文摘要

随着信息技术与电子技术的迅猛发展,使得计算机及其外围设备也得到飞速发展和应用,在科学研究领域和许多生产场合中常用到数据采集技术,并且对数据采集的各种要求也越来越高。传统的通信方式由于传输速度慢、抗干扰能力弱、安装麻烦等原因严重阻碍了数据采集设备的发展,新一代通用串行总线USB(Universal Serial Bus)具有传输线少、速度快、支持热插拔以及易于扩展等优点,很好的解决了以上问题,因此串行总线技术在计算机系统及通信设备中迅速得到了广泛的应用。本文通过对专用的USB外部设备——“便携式吸毒人员瞳孔快速检测仪”的USB眼罩进行重新设计与实现,对基于USB技术的视频采集与LED亮度控制系统的软硬件设计进行了深入研究。“瞳孔检测仪”眼罩部分要实现的主要功能是对右眼进行特定光刺激的同时采集左眼瞳孔变化的视频,是主机进行吸毒检测的前提。围绕基于USB技术的视频采集与LED控制系统,文中讨论了它的基本组成、系统的软硬件设计方法,并详细描述了USB技术的原理与特性。针对上一代产品电路设计中存在的诸多问题,作者对系统的硬件进行了重新设计,并独立完成了所有软件部分的开发。Linux设备驱动的开发采用了用户空间的开发方式,降低了开发难度,提高了可移植性。由于便携式主机使用电池供电,为了延长电池使用时间,在芯片选择、硬件设计以及软件设计时都仔细考虑了功耗问题。最后对系统的性能进行了测试。测试结果表明,此系统性能良好、运行稳定,采集到的视频符合主机进行吸毒检测的要求,达到了设计的预期目标。重新设计的眼罩功耗下降了50%,不仅延长了电池的使用时间,也提高了系统的稳定性。通过对眼罩的重新设计,更进一步地掌握了USB技术,为实验室在这个方面的研究打下了基础。USB技术具有广阔的应用前景,今后可以进一步深入地研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 论文研究的主要内容
• 第二章 USB的基本知识与特性
• 2.1 USB协议的发展史
• 2.2 USB的优点
• 2.3 USB协议概况
• 2.4 USB总线拓扑结构
• 2.4.1 总线的物理拓扑结构
• 2.4.2 总线的逻辑拓扑结构
• 2.5 USB总线数据传输
• 2.5.1 USB的数据传输类型
• 2.5.2 USB的数据传输协议
• 2.5.3 USB数据的传输过程
• 第三章 系统总体方案设计
• 3.1 硬件总体设计方案
• 3.2 软件总体设计方案
• 第四章 硬件电路设计
• 4.1 USB摄像头模块设计
• 4.2 USB Hub与LED亮度控制模块设计
• 4.2.1. PIC18F2450
• 4.2.2. AU9254 A21
• 4.2.3. WS2701SP和WS2702SP
• 4.3 LED给光模块
• 4.3.1 原系统设计
• 4.3.2 现系统设计
• 4.3.3 LED给光模块设计小结
• 第五章 软件设计
• 5.1 USB固件程序设计
• 5.1.1 眼罩的列举过程
• 5.1.2 固件开发平台介绍
• 5.1.3 固件程序的实现
• 5.2 驱动程序设计
• 5.2.1 驱动程序开发基础
• 5.2.2 眼罩与主机通信的实现
• 5.3 图像采集程序设计
• 5.3.1 Video4linux编程
• 5.3.2 眼罩通过V4L获取图像流程
• 第六章 系统测试
• 6.1 功耗对比
• 6.2 固件测试
• 6.3 图像采集程序测试
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目