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信息工程學(xué)院畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告
開(kāi)題報(bào)告是提高選題質(zhì)量和水平的重要環(huán)節(jié)，它主要說(shuō)明這個(gè)課題研究的意義及該課題的可行性，下面是小編搜集整理的信息工程學(xué)院畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告，供大家閱讀查看。
題 目 基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.本課題的目的及意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析
1)本課題的目的及意義
數(shù)據(jù)作為信息的載體遍布我們的生活。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的采集逐漸成為人機(jī)交互的核心，因此，數(shù)據(jù)采集卡被廣泛的應(yīng)用于各種場(chǎng)合。目前流行的數(shù)據(jù)采集卡接口有PCI、485、232、1394等等[1]，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展這些類(lèi)型的采集卡技術(shù)已經(jīng)很成熟。但是隨著對(duì)數(shù)據(jù)采集要求的提高，對(duì)采集卡在傳輸帶寬、采樣速率和便捷性等方面的要求也越來(lái)越高。
由于傳統(tǒng)接口(如PCI、232等)的采集卡安裝繁瑣、傳輸速度慢、抗干擾能力弱等問(wèn)題變得很難適應(yīng)目前快速高精度的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。通用串行總線(xiàn)USB作為近年提出的通信協(xié)議，經(jīng)過(guò)短短幾年時(shí)間從1.1發(fā)展到目前流行的2.0及性能更優(yōu)異的3.0版本，并在世界范圍內(nèi)被廣泛的應(yīng)用在筆記本電腦、PDA、智能手機(jī)、工控機(jī)等各種設(shè)備上。USB 2.0支持最多127個(gè)設(shè)備，并且不會(huì)損失帶寬，最高傳輸速度480Mbps，傳輸距離可達(dá)30m，同時(shí)支持熱插拔技術(shù)[2]。憑借這些優(yōu)勢(shì)，基于USB數(shù)據(jù)采集卡在便捷性等各方面要優(yōu)于其它類(lèi)型的采集卡。
如今主流的操作系統(tǒng)(Windows、Linux、Mac OS等)都能夠完美支持USB協(xié)議，而且基本上所有的計(jì)算機(jī)主板芯片組都支持USB，這使得USB采集卡的應(yīng)用范圍廣大。借助電腦USB端口提供的5V/500mA的電源，可以直接驅(qū)動(dòng)采集卡和部分外部設(shè)備，減少了設(shè)計(jì)難度和生產(chǎn)成本。基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是設(shè)計(jì)一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)USB技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫(xiě)。利用USB總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、集中控制，減少人力投入，提高工作效率。
2)USB采集卡國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析
(1)USB采集卡發(fā)展現(xiàn)狀
USB技術(shù)1994年由IBM、Microsoft、NEC等公司提出，目前得到了十分廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外有多家廠商從事USB芯片的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，包括CMD、Intel、Cypress、Motorola等國(guó)際硬件巨頭。生產(chǎn)的產(chǎn)品包括主機(jī)控制芯片、集線(xiàn)器芯片、HID芯片、圖像傳輸芯片等各種類(lèi)型。目前國(guó)外大量專(zhuān)業(yè)從事USB采集卡研發(fā)生產(chǎn)的廠家，比如National Instruments、Alazartech 、SP Devices、GAGE等公司，研發(fā)的USB采集卡分辨率從8位到16位，采集速度從10KS/s到800KS/s。例如NI公司生產(chǎn)的USB-9221高速采集卡，其采樣精度為8路12位，采樣速率高達(dá)800KS/s，輸入信號(hào)范圍可達(dá)±60V[3]。這些廠商生產(chǎn)的USB采集卡占有大部分市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)從事USB采集卡研發(fā)的公司有阿爾泰、研華等公司，由于技術(shù)起步較晚，產(chǎn)品的性能與國(guó)外先進(jìn)水平有一些差距�，F(xiàn)在市場(chǎng)中的USB采集卡涵蓋了音頻、環(huán)境信息、電壓/流等信號(hào)的采集，同時(shí)集成了多路DA以及DI/DO功能，相比較其它的采集卡而言，數(shù)字I/O的支持使得USB外圍設(shè)備控制等方面有巨大優(yōu)勢(shì)，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中USB采集卡能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制同時(shí)進(jìn)行。隨著PCB制作技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，目前的USB采集卡在信號(hào)抗干擾和噪聲抑制方面有了很大的改善�；赨SB2.0的數(shù)據(jù)采集卡在視頻接入、音頻采集等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，現(xiàn)在的視頻監(jiān)控、安防、專(zhuān)業(yè)音頻等行業(yè)越來(lái)越多的采用USB接口的產(chǎn)品[4]。
常見(jiàn)的USB采集傳輸方式上大體有兩類(lèi)，第一類(lèi)是通過(guò)外置USB芯片，例如串口橋接芯片PL2303、USB接口芯片CH376等。PL2303的原理是通過(guò)通用異步接收/發(fā)送裝置(USART)將在串口信息流與USB信號(hào)相互轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與上位機(jī)之間的USB總線(xiàn)通信。這種方法優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)方便、電路簡(jiǎn)單、不需要在采集卡中編寫(xiě)USB控制程序，缺點(diǎn)是傳輸速度低[5]。CH376則是將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI等總線(xiàn)直接送入到接口芯片處理為USB信息格式，然后與外設(shè)和上位機(jī)通信。它優(yōu)點(diǎn)是能較好的支持USB，在傳輸速度等方面沒(méi)有限制，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、需要在采集卡中編寫(xiě)USB芯片控制程序[6];第二類(lèi)方式采用的是內(nèi)置USB接口的MCU，由于內(nèi)置USB接口，這種方式的采集卡在設(shè)計(jì)、性能等方面都優(yōu)于第一類(lèi)。
綜合設(shè)計(jì)成本和性能等方面的考慮，兩類(lèi)常見(jiàn)的方式中，使用最廣泛的是第一類(lèi)。但是市面上內(nèi)置了USB接口的MCU較少，同時(shí)目前的USB控制芯片已經(jīng)高度的智能化和集成化，大多數(shù)的控制芯片內(nèi)置了獨(dú)立的處理內(nèi)核和SDRAM，并在底層嵌入了USB通信協(xié)議，這使得USB采集卡在驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)等方面變得更加方便快捷，因此設(shè)計(jì)人員更多采用的是外置USB芯片。如今的USB采集卡通過(guò)內(nèi)置的片內(nèi)ROM集成了很多的控制和操作指令，使得使用者在操作和二次開(kāi)發(fā)過(guò)程中得到極大的便利。例如NI公司的USB全線(xiàn)產(chǎn)品共用NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)兼容NI LabVIEW、NI LabWindows/CVI、NI Measurement Studio[7]，這使用戶(hù)能夠快速的進(jìn)行使用。USB采集卡生產(chǎn)廠商在提供采集卡實(shí)物時(shí)都會(huì)提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和程序控制API接口，利用這些接口函數(shù)，用戶(hù)能夠使用適合自己的開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)配置自己的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
(2)USB采集卡發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)在的USB數(shù)據(jù)采集卡不能對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)，這是由于USB總線(xiàn)是一種單向總線(xiàn)，主控制器在主機(jī)上，因此USB設(shè)備不能與其它外圍設(shè)備通信[8]。為解決USB設(shè)備相互通信的問(wèn)題，近年USB開(kāi)發(fā)論壇(USB-IF)提出了USB協(xié)議的補(bǔ)充協(xié)議USB-OTG，應(yīng)用USB-OTG設(shè)備可以突破USB構(gòu)架的限制，完成HOST/SLAVE的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不通過(guò)PC各種不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換[9]。利用USB-HOST，USB采集卡能夠建立一個(gè)USB主機(jī)并將采集的數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入U(xiǎn)盤(pán)、SD卡等移動(dòng)設(shè)備而不需要上位機(jī)支持[10]。這使得USB采集卡在使用場(chǎng)合和使用方式上有了比較大的改變，減少了硬件成本的投入。
USB采集卡近幾年已經(jīng)向智能化、虛擬化、自動(dòng)化和高精度方面發(fā)展。利用USB-OTG進(jìn)行設(shè)備間的通信將會(huì)變成未來(lái)的主流。而隨著USB3.0的推廣和更快速度的控制芯片的研發(fā)，USB采集卡在采樣速率、傳輸帶寬、開(kāi)發(fā)難度等方面有較大優(yōu)勢(shì)。
2.本課題的任務(wù)、重點(diǎn)內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑
1) 本課題的任務(wù)要求
本課題主要是要求設(shè)計(jì)制作一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)等。其中單片機(jī)作為處理單元，USB總線(xiàn)作為傳輸方式并且系統(tǒng)要求支持讀寫(xiě)移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。詳細(xì)任務(wù)要求如下：
(1)功能要求
輸入信號(hào)范圍0-5V和0-10V兩種;單片機(jī)系統(tǒng)顯示當(dāng)前測(cè)量值;通過(guò)USB接口與上位機(jī)通信，上傳測(cè)試數(shù)據(jù)并在上位PC機(jī)顯示;同時(shí)能將數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)接收并顯示;可由USB端口直接寫(xiě)入U(xiǎn)盤(pán)等存儲(chǔ)設(shè)備，系統(tǒng)的測(cè)量精度要求為0.5%。
(2)設(shè)計(jì)USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方案;
(3)設(shè)計(jì)并調(diào)試系統(tǒng)的硬件;
(4)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件，編制單片機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)程序，并完成調(diào)試工作;
2) 本課題的重點(diǎn)內(nèi)容
(1)數(shù)據(jù)采集、處理電路
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠采集的信號(hào)是有限制的，為了增強(qiáng)信號(hào)的完整性、減少噪聲及抗干擾，必須通過(guò)處理電路將需要采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大及濾波[11]。處理電路包括可調(diào)增益放大部分和濾波部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理。數(shù)據(jù)采集電路將數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換。因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，選擇合適的AD轉(zhuǎn)換器十分重要。系統(tǒng)的分辨率、轉(zhuǎn)換速率等性能指標(biāo)由數(shù)據(jù)采集電路決定。
(2)USB接口電路
USB接口電路需要專(zhuān)門(mén)的USB芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如CH375、CY7C68013等。接口芯片在底層內(nèi)置了USB通信協(xié)議，同時(shí)借助于嵌入式的微型處理內(nèi)核，將USB總線(xiàn)的各種動(dòng)作簡(jiǎn)化為命令和API函數(shù)，用戶(hù)使用時(shí)只需要調(diào)用相應(yīng)的命令或API即可完成操作。對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫(xiě)和數(shù)據(jù)的傳輸需要通過(guò)USB接口電路完成[12]，但由于從底層開(kāi)發(fā)USB接口的技術(shù)復(fù)雜，難度較高，因此擬采用封裝好的接口模塊。系統(tǒng)通過(guò)操作接口模塊完成移動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。
(3)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容包括編寫(xiě)移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備文件讀寫(xiě)程序和上位機(jī)USB驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備文件系統(tǒng)采用的是FAT16或FAT32[13]，系統(tǒng)要讀寫(xiě)文件必須設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)的讀寫(xiě)代碼;上位機(jī)采用的是LabView軟件編寫(xiě)，而LabView只內(nèi)置了NI公司的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，因此要在程序中使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就需要編寫(xiě)接口程序[14]。
3) 本課題的實(shí)現(xiàn)途徑
(1) 系統(tǒng)整體構(gòu)架
根據(jù)任務(wù)書(shū)中的設(shè)計(jì)要求，可以繪制出路圖1所示的系統(tǒng)整體構(gòu)架
(2) 電路設(shè)計(jì)
首先通過(guò)查閱資料，了解典型電路的結(jié)構(gòu)，然后在對(duì)電路進(jìn)行修改使適應(yīng)本課題。對(duì)系統(tǒng)要求分析后確定選用的元件類(lèi)型與型號(hào)，使用Protel繪制電路圖，同時(shí)采用仿真軟件進(jìn)行仿真，最后進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，修改設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。
(3) 軟件設(shè)計(jì)
按結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)程序的方式，首先繪制軟件流程圖，將程序分解為幾個(gè)獨(dú)立的功能模塊，然后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行編程。文件系統(tǒng)讀寫(xiě)設(shè)計(jì)通過(guò)閱讀開(kāi)源的代碼，并進(jìn)行移植;上位機(jī)的USB接口程序則通過(guò)程序向?qū)瓿伞?/p>
(4) 系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試均按照模塊化進(jìn)行，完成一個(gè)獨(dú)立的模塊的硬件和軟件后即進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，最后將整個(gè)系統(tǒng)整合進(jìn)行最后調(diào)試。
3.完成本課題所需工作條件(如工具書(shū)、計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)、調(diào)研等)及解決辦法
1)工作條件
(1)工具書(shū)
Keil C51、LabView等相關(guān)編程資料、書(shū)籍。
NI Multisim指導(dǎo)書(shū)。
Protel軟件指導(dǎo)書(shū)籍。
(2)軟件
KeilC51編程軟件、Protel繪圖軟件、LabView編程軟件、NI Multisim仿真軟件。
(3)硬件
單片機(jī)、計(jì)算機(jī)、相關(guān)設(shè)備及所需元器件等。
2)解決辦法
(1)工具書(shū)可以通過(guò)學(xué)校圖書(shū)館和網(wǎng)上資源獲得。
(2)計(jì)算機(jī)和相關(guān)硬件元器件設(shè)備由老師提供或購(gòu)買(mǎi)。
3)參考文獻(xiàn)
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