信息工程學院畢業論文開題報告

時間：2024-07-11 02:05:52 開題報告我要投稿

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信息工程學院畢業論文開題報告

　　開題報告是提高選題質量和水平的重要環節，它主要說明這個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院畢業論文開題報告，供大家閱讀查看。

信息工程學院畢業論文開題報告

　　題目 基于USB的數據采集系統設計

　　1.本課題的目的及意義，國內外研究現狀分析

　　1)本課題的目的及意義

　　數據作為信息的載體遍布我們的生活。隨著信息技術的發展，數據的采集逐漸成為人機交互的核心，因此，數據采集卡被廣泛的應用于各種場合。目前流行的數據采集卡接口有PCI、485、232、1394等等[1]，經過多年發展這些類型的采集卡技術已經很成熟。但是隨著對數據采集要求的提高，對采集卡在傳輸帶寬、采樣速率和便捷性等方面的要求也越來越高。

　　由于傳統接口(如PCI、232等)的采集卡安裝繁瑣、傳輸速度慢、抗干擾能力弱等問題變得很難適應目前快速高精度的數據采集任務。通用串行總線USB作為近年提出的通信協議，經過短短幾年時間從1.1發展到目前流行的2.0及性能更優異的3.0版本，并在世界范圍內被廣泛的應用在筆記本電腦、PDA、智能手機、工控機等各種設備上。USB 2.0支持最多127個設備，并且不會損失帶寬，最高傳輸速度480Mbps，傳輸距離可達30m，同時支持熱插拔技術[2]。憑借這些優勢，基于USB數據采集卡在便捷性等各方面要優于其它類型的采集卡。

　　如今主流的操作系統(Windows、Linux、Mac OS等)都能夠完美支持USB協議，而且基本上所有的計算機主板芯片組都支持USB，這使得USB采集卡的應用范圍廣大。借助電腦USB端口提供的5V/500mA的電源，可以直接驅動采集卡和部分外部設備，減少了設計難度和生產成本。基于USB的數據采集系統主要是設計一套數據采集系統，通過USB技術實現數據通信和移動存儲設備的讀寫。利用USB總線實現上位機的實時、遠程、集中控制，減少人力投入，提高工作效率。

　　2)USB采集卡國內外研究現狀分析

　　(1)USB采集卡發展現狀

　　USB技術1994年由IBM、Microsoft、NEC等公司提出，目前得到了十分廣泛的應用。國內外有多家廠商從事USB芯片的開發和生產，包括CMD、Intel、Cypress、Motorola等國際硬件巨頭。生產的產品包括主機控制芯片、集線器芯片、HID芯片、圖像傳輸芯片等各種類型。目前國外大量專業從事USB采集卡研發生產的廠家，比如National Instruments、Alazartech 、SP Devices、GAGE等公司，研發的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公司生產的USB-9221高速采集卡，其采樣精度為8路12位，采樣速率高達800KS/s，輸入信號范圍可達±60V[3]。這些廠商生產的USB采集卡占有大部分市場。國內從事USB采集卡研發的公司有阿爾泰、研華等公司，由于技術起步較晚，產品的性能與國外先進水平有一些差距。現在市場中的USB采集卡涵蓋了音頻、環境信息、電壓/流等信號的采集，同時集成了多路DA以及DI/DO功能，相比較其它的采集卡而言，數字I/O的支持使得USB外圍設備控制等方面有巨大優勢，在閉環控制系統中USB采集卡能實現數據采集和控制同時進行。隨著PCB制作技術和電子技術的發展，目前的USB采集卡在信號抗干擾和噪聲抑制方面有了很大的改善。基于USB2.0的數據采集卡在視頻接入、音頻采集等產業發展迅速，現在的視頻監控、安防、專業音頻等行業越來越多的采用USB接口的產品[4]。

　　常見的USB采集傳輸方式上大體有兩類，第一類是通過外置USB芯片，例如串口橋接芯片PL2303、USB接口芯片CH376等。PL2303的原理是通過通用異步接收/發送裝置(USART)將在串口信息流與USB信號相互轉換后的信號進行傳輸，實現設備與上位機之間的USB總線通信。這種方法優點是設計方便、電路簡單、不需要在采集卡中編寫USB控制程序，缺點是傳輸速度低[5]。CH376則是將系統中的數據通過SPI等總線直接送入到接口芯片處理為USB信息格式，然后與外設和上位機通信。它優點是能較好的支持USB，在傳輸速度等方面沒有限制，缺點是電路復雜、需要在采集卡中編寫USB芯片控制程序[6];第二類方式采用的是內置USB接口的MCU，由于內置USB接口，這種方式的采集卡在設計、性能等方面都優于第一類。

　　綜合設計成本和性能等方面的考慮，兩類常見的方式中，使用最廣泛的是第一類。但是市面上內置了USB接口的MCU較少，同時目前的USB控制芯片已經高度的智能化和集成化，大多數的控制芯片內置了獨立的處理內核和SDRAM，并在底層嵌入了USB通信協議，這使得USB采集卡在驅動程序開發等方面變得更加方便快捷，因此設計人員更多采用的是外置USB芯片。如今的USB采集卡通過內置的片內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發過程中得到極大的便利。例如NI公司的USB全線產品共用NI-DAQmx驅動程序，同時兼容NI LabVIEW、NI LabWindows/CVI、NI Measurement Studio[7]，這使用戶能夠快速的進行使用。USB采集卡生產廠商在提供采集卡實物時都會提供相應的驅動程序和程序控制API接口，利用這些接口函數，用戶能夠使用適合自己的開發環境來配置自己的數據采集系統。

　　(2)USB采集卡發展趨勢

　　現在的USB數據采集卡不能對外圍設備進行讀寫，這是由于USB總線是一種單向總線，主控制器在主機上，因此USB設備不能與其它外圍設備通信[8]。為解決USB設備相互通信的問題，近年USB開發論壇(USB-IF)提出了USB協議的補充協議USB-OTG，應用USB-OTG設備可以突破USB構架的限制，完成HOST/SLAVE的轉換，實現不通過PC各種不同設備之間的數據交換[9]。利用USB-HOST，USB采集卡能夠建立一個USB主機并將采集的數據直接寫入U盤、SD卡等移動設備而不需要上位機支持[10]。這使得USB采集卡在使用場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采集卡近幾年已經向智能化、虛擬化、自動化和高精度方面發展。利用USB-OTG進行設備間的通信將會變成未來的主流。而隨著USB3.0的推廣和更快速度的控制芯片的研發，USB采集卡在采樣速率、傳輸帶寬、開發難度等方面有較大優勢。

　　2.本課題的任務、重點內容、實現途徑

　　1) 本課題的任務要求

　　本課題主要是要求設計制作一套數據采集系統，系統包括數據采集、處理、傳輸、存儲等。其中單片機作為處理單元，USB總線作為傳輸方式并且系統要求支持讀寫移動存儲設備。詳細任務要求如下：

　　(1)功能要求

　　輸入信號范圍0-5V和0-10V兩種;單片機系統顯示當前測量值;通過USB接口與上位機通信，上傳測試數據并在上位PC機顯示;同時能將數據發送至單片機接收并顯示;可由USB端口直接寫入U盤等存儲設備，系統的測量精度要求為0.5%。

　　(2)設計USB數據采集系統的總體方案;

　　(3)設計并調試系統的硬件;

　　(4)設計系統的軟件，編制單片機系統和上位機系統程序，并完成調試工作;

　　2) 本課題的重點內容

　　(1)數據采集、處理電路

　　數據采集系統能夠采集的信號是有限制的，為了增強信號的完整性、減少噪聲及抗干擾，必須通過處理電路將需要采集的數據進行放大及濾波[11]。處理電路包括可調增益放大部分和濾波部分，實現對數據的預處理。數據采集電路將數據采集并轉換。因此數據轉換器的性能決定了整個系統的性能，選擇合適的AD轉換器十分重要。系統的分辨率、轉換速率等性能指標由數據采集電路決定。

　　(2)USB接口電路

　　USB接口電路需要專門的USB芯片來實現，例如CH375、CY7C68013等。接口芯片在底層內置了USB通信協議，同時借助于嵌入式的微型處理內核，將USB總線的各種動作簡化為命令和API函數，用戶使用時只需要調用相應的命令或API即可完成操作。對移動存儲設備的讀寫和數據的傳輸需要通過USB接口電路完成[12]，但由于從底層開發USB接口的技術復雜，難度較高，因此擬采用封裝好的接口模塊。系統通過操作接口模塊完成移動設備數據讀寫。

　　(3)系統程序設計

　　程序設計的重點內容包括編寫移動存儲設備文件讀寫程序和上位機USB驅動設計。移動存儲設備文件系統采用的是FAT16或FAT32[13]，系統要讀寫文件必須設計文件系統的讀寫代碼;上位機采用的是LabView軟件編寫，而LabView只內置了NI公司的設備驅動，因此要在程序中使用數據采集系統傳輸的數據就需要編寫接口程序[14]。

　　3) 本課題的實現途徑

　　(1) 系統整體構架

　　根據任務書中的設計要求，可以繪制出路圖1所示的系統整體構架

　　(2) 電路設計

　　首先通過查閱資料，了解典型電路的結構，然后在對電路進行修改使適應本課題。對系統要求分析后確定選用的元件類型與型號，使用Protel繪制電路圖，同時采用仿真軟件進行仿真，最后進行實際測試，修改設計錯誤。

　　(3) 軟件設計

　　按結構化設計程序的方式，首先繪制軟件流程圖，將程序分解為幾個獨立的功能模塊，然后對各個模塊進行編程。文件系統讀寫設計通過閱讀開源的代碼，并進行移植;上位機的USB接口程序則通過程序向導完成。

　　(4) 系統調試

　　系統的設計和調試均按照模塊化進行，完成一個獨立的模塊的硬件和軟件后即進行單獨調試，最后將整個系統整合進行最后調試。

　　3.完成本課題所需工作條件(如工具書、計算機、實驗、調研等)及解決辦法

　　1)工作條件

　　(1)工具書