基于USB的多功能高速数据采集系统的软件设计

论文摘要

随着计算机和测试技术的发展,市场上出现了各种接口的数据采集设备。目前基于ISA或PCI等内置式接口的高速数据采集器,可实现多功能采集,但存在着体积较大、不便于携带的缺点,基于串口、并口的采集器,虽然体积小,但功能比较单一；并且在进行上位机软件开发时,采用孤立的VC或VB等文本编程语言,导致开发周期长开发成本高等问题,这些都限制了数据采集器的应用。对此,本文针对以上数据采集器存在的问题展开了研究,提出基于USB2.0接口,运用VC++多线程、LABVIEW虚拟仪器等技术对具有便携、多功能、并行的数据采集系统进行开发的方案。主要的工作有如下几个方面：（1）提出便携方式下,仍能实现多功能的高速数据采集的软件设计方案。给出了利用集成了USB2.0接口及8051核的微处理器芯片CY7C68013A来控制2路独立的高速A/D采集的设计思想,并在集成了传感器供电、信号调理、通道平衡的硬件基础上,采用KEIL C51实现USB固件程序的开发,提出通过乒乓BUFFER重构机制,配合FLASH的使用,实现三种采集功能及相应功能下数据存储管理,上层界面开发采用LABVIEW虚拟仪器技术,结合VC++多线程机制实现高效通讯传输,完成多功能便携的采集器软件设计方案。（2）针对USB固件程序的开发,进行多端点的配置及传输协议的制定,提出设置EP2为命令接收端、EP6为命令返回端、EP8为数据发送端的端点配置方案,通过对端口的独立操作,保证命令传输的可靠性、数据传输的高速性以及数据命令的同步操作；为实现系统三种采集功能：瞬态采集、实时采集和离线采集,研究设计了在瞬态和离线方式下对两个独立的BUFFER存储块进行使用,实现每个通道500K的采集长度；并且在离线采集方式下,为保证离线数据稳定可靠的存储,对FLASH数据存储提出坏块标识机制,避免对坏块进行读写而造成的数据丢失；在实时采集方式下通过对两个存储块进行乒乓BUFFER重构,实现了无线长的实时采样长度。（3）在进行上位机操作界面的设计时,提出以LABVIEW图形界面开发环境为平台,结合VC++6.0,实现友好的操作界面开发。利用LABVIEW虚拟仪器技术,通过采用Graph图表实现历史波形回放,采用Chart图形实现实时监测数据波形的动态显示,完成了可重构的仪器功能。利用LABVIEW的事件结构,保证及时响应用户的操作命令,采用状态机结构,实现不同功能下各自独立的采集过程控制。在进行采集控制时,为解决采集的高速性和波形显示的实时性的矛盾,提出了采用多线程机制,在主线程进行实时数据显示外,重新设置了专用数据接收线程,实时接收保存来自USB接口的采集数据,达到了接收保存与读取显示分离,实现双通道最大100KHz的采集率。（4）为进行系统功能的测试,利用信号发生器发出的各种频率和幅值的模拟信号,检测采集器在不同采集功能下的参数设置、数据采集、波形显示功能的实现。采用PCI-GPIB控制卡来对带有GPIB接口的函数发生器和数字万用表进行控制,实现采集系统通道的参数标定,保证了系统的精度。测试结果表明,该系统具有多功能高速采集的优点,且系统精度达到0.3%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 国内外现状和发展趋势
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 本文的结构
• 2 USB多功能高速数据采集系统整体方案设计
• 2.1 USB数据采集系统硬件设计方案
• 2.1.1 USB接口芯片及数据传输类型的选择
• 2.1.2 采集系统总体结构
• 2.2 USB数据采集系统软件设计方案
• 2.2.1 软件设计总体概述
• 2.2.2 系统功能规划
• 2.2.3 数据存储管理
• 2.3 本章小结
• 3 USB多功能高速数据采集系统固件程序设计
• 3.1 主程序设计
• 3.1.1 用户设备初始化
• 3.1.2 用户任务处理
• 3.1.3 设备请求
• 3.2 瞬态数据采集固件模块程序设计
• 3.3 实时采集固件模块程序设计
• 3.3.1 实时采集的数据存储机制
• 3.3.2 实时采集程序设计
• 3.4 离线采集与存储固件模块程序设计
• 3.4.1 离线采集程序设计
• 3.4.2 离线数据存储
• 3.5 本章小结
• 4 USB多功能高速数据采集系统主控程序设计
• 4.1 动态链接库设计
• 4.1.1 USB基本API函数
• 4.1.2 功能函数设计
• 4.2 主界面设计
• 4.3 参数设置
• 4.3.1 采集参数设置
• 4.3.2 配置参数设置
• 4.3.3 参数标定
• 4.4 瞬态采集主控程序设计
• 4.5 实时采集及在线监测主控程序设计
• 4.6 离线采集控制程序设计
• 4.6.1 离线数据采集
• 4.6.2 离线数据读取及波形回放
• 4.7 本章小结
• 5 系统软件测试
• 5.1 USB固件程序测试
• 5.2 USB主控程序测试
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
• 致谢