基于USB總線的車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

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1、吉林人學(xué)碩士學(xué)位論文摘要一、引言車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用于記錄汽車上各種傳感器所提供的數(shù)據(jù)以便工作人員對整車或零部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，性能比較，技術(shù)分析等等。傳統(tǒng)計算機的外圍接口因工RQ,DMA等I/0資源的不足使計算機擴展性受到很大限制。本文討論了基于USB控制器的車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)，并以FZ.-USB芯片為研究對象，對USB系統(tǒng)的驅(qū)動程序及在主機方應(yīng)用程序的搭建進(jìn)行了開發(fā)。針對普通車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的傳輸速度慢等問題通過引入USB總線技術(shù)來解決。本文建立了一個基于USB總線協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它是USB

2、總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，具有熱插拔，傳輸速度快等優(yōu)點。大大提高了通信的帶寬。二、USB協(xié)議USB需要主機硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)三個方面的支持才一能工作。一個USB系統(tǒng)可以從三個部分來描述:USB的互連，USB的設(shè)備，USB的主機。USB協(xié)議中將USB分為五個部份:控制器、控制器驅(qū)動程序、USB芯片驅(qū)動程序、USB設(shè)備以及針對不同USB設(shè)備的客戶驅(qū)動程序。根據(jù)設(shè)備對系統(tǒng)資源需求的不同，在USB協(xié)議中規(guī)定了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式:等時傳輸方式(Isochronous)、中斷傳輸方式(Interrupt)

3、、控制傳輸方式(Control)和批(Bulk)傳輸方式，這些傳輸方式各有特點，分別用于不同的場所。三、系統(tǒng)總體構(gòu)成系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為主機部分和數(shù)據(jù)采集卡兩部分。二者之間通過USB電纜進(jìn)行通訊。從功能的實現(xiàn)上又可分為硬件和軟件部分。將此系統(tǒng)設(shè)計成非實時采集系統(tǒng)。即在微機測控中，將數(shù)據(jù)采集下來并存儲，然后再將其傳往微機中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此時若采用USB總線進(jìn)行傳輸，將大大提高傳輸速率。因為此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為非實時系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的采集與傳送并不競爭CPU的處理時間，因此，可以在系統(tǒng)中選用EZ-USB芯片作為控摘要制器

4、。當(dāng)系統(tǒng)在實驗測量時，由EZ-USB負(fù)責(zé)采集外部信號，此時執(zhí)行一般的51單片機功能，將采到的數(shù)據(jù)存放在存儲器中。當(dāng)向微機傳輸數(shù)據(jù)時，此芯片執(zhí)行USB功能，將數(shù)據(jù)從存儲器中取出并傳往微機。美國Cypress公司的EZ-USB芯片是基于8051的芯片，它使用一套標(biāo)準(zhǔn)的指令集并且提供各種大小的RAM和ROM。片上資源包括24根1/0端口，8根數(shù)據(jù)端口，16根地址端口，兩個USB數(shù)據(jù)端口及其它功能端口，其內(nèi)部有一個增強的8051處理器、一個USB收發(fā)器、2KB的FIFO存儲器、一個8KB的RAM和一個智能串行接口

5、引擎(SIE)。智能SIE可以使開發(fā)者不必因產(chǎn)品增加USB功能而學(xué)習(xí)USB協(xié)議，縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。它執(zhí)行所有基本的USB功能，內(nèi)部的8051則可以用來負(fù)責(zé)外設(shè)的其它功能。四、系統(tǒng)的硬件設(shè)計在數(shù)據(jù)存儲部分采用三星公司的32兆閃存(FLASHmemory)。閃速存儲器是一類非易失性存儲器NVM(Non-VolatileMemory)即使在供電電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息，不但存儲速度快，而且存儲數(shù)據(jù)的保存時間可達(dá)10年以上。當(dāng)系統(tǒng)工作時，首先由MCU發(fā)出控制邏輯，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路對多達(dá)犯路的傳感器信號逐一進(jìn)行選

6、通，傳感器發(fā)來的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過鎖存器，存入到閃存中。最后，由AN2131QC芯片負(fù)責(zé)將采到的數(shù)據(jù)傳入PC機中。五系統(tǒng)的軟件設(shè)計訓(xùn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為三個部分:固件(firmware)設(shè)計、USB設(shè)備驅(qū)動程序、PC機Windows應(yīng)用程序設(shè)計。Cypress公司為用戶的軟件設(shè)計提供了良好的框架。固件工作時，首先初始化所有的內(nèi)部狀態(tài)變量，這一任務(wù)由初始化函數(shù)TD_Init()函數(shù)來完成。之后，當(dāng)在端點。收到一個setup包，任務(wù)分配工作汗始。先調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll()，然后判斷是否有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備

7、請求沒有解決，最后判斷USB內(nèi)核是否報告一個USB掛起事件，若有，則調(diào)用TD_Suspend()函數(shù)使設(shè)備掛起，并由TD_Resume()函數(shù)恢復(fù)工作。PC機方的應(yīng)用程序用于訪問USB設(shè)備，在系統(tǒng)的調(diào)試過程中以及試驗中系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)采集處理等都起著重要的作用。吉林大學(xué)碩L學(xué)位論文為驗證此采集系統(tǒng)是否達(dá)到所要求的性能，特采用實測的方式進(jìn)行測量研究。在實踐中，將此系統(tǒng)聯(lián)機進(jìn)行試驗。主機方采用Windows操作系統(tǒng)對車的前橋加速度，后橋加速度，車身加速度，汽車座椅加速度，蛇行操作穩(wěn)定性方向盤力，操作輕便性方向

8、盤力等信號進(jìn)行了采集。六、實驗分析最后的數(shù)據(jù)基本符合預(yù)期的結(jié)果。系統(tǒng)實現(xiàn)了USB設(shè)備的即插即用功能但目前速度并沒有充分體現(xiàn)出USB總線的優(yōu)勢。分析原因如下:USB總線的最大傳輸率可以達(dá)到12Mbps，是指主機控制器最大的處理能力，而一個USB設(shè)備不可能擁有這么高的帶寬，它的帶寬由主機的總線驅(qū)動程序管理。當(dāng)添加或者刪除一個USB設(shè)備時，連接的其它USB設(shè)備的資源要重新分配，以提高總線的利用率。單個USB設(shè)備所能擁有的帶寬一般小于