基于USB的数据采集系统的研究与设计毕业设计论文.doc

河南师范大学本科毕业论文 学号： 110407221基于USB的数据采集系统的研究与设计学院名称： 物理与电子工程学院 专业名称： 电子信息工程专业 年级班别： 11级电信02班 姓 名： 指导教师： 2015年05月河南师范大学本科毕业论文 基于 USB 的数据采集系统的研究与设计摘 要 数据采集技术是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等，涉及模拟信号调理、模拟信号数字化、数字信号处理等，具有很强的实用性。USB 技术以其支持热插拔和即插即用、占用系统资源少等特点迅速得到了广泛的应用。USB2.0 凭借其480Mbps 的理论传输速度，更是得到了人们的青睐。论文基于课题的研究内容，给出了一种用 USB2.0 总线技术解决数据采集系统接口问题的实施方案。文中首先深入研究了USB 的体系结构，然后结合提出的方案，较为全面地介绍了系统的硬件和软件设计。其中硬件部分具体描述了 USB2.0 控制器CY7C68013 和模数转换芯片MAX125 的接口设计，同时也给出了各种电源转换的实现方法。在软件部分，通过分析EZ-USB 的固件编程框架，阐述了CY7C68013 在GPIF 工作模式下的波形设计过程及其数据通信流程；驱动程序是系统硬件和客户应用程序之间通信的桥梁，文中介绍了USB 的WDM 功能驱动程序设计过程；最后，设计了数据采集和保存的应用程序，并对其功能做了解释。论文所设计的基于 USB2.0 总线技术的数据采集系统具有14 位分辨率，单通道250KHz采样频率和30Mbps 传输速率。系统不仅实现了数据的采集、传输和保存数据的功能，并且具有热插拔、即插即用、便携式的特点，达到了预期的效果。关键词： 数据采集；USB2.0；CY7C68013；MAX125；驱动程序 IRESEARCH AND DESIGN OF DATA ACQUISITIONSYSTEM BASED ON USBABSTRACT Data acquisition technology is a synthetical application technology based on technologies of sensor, signal measure and disposal and computer, and it studies on data acquisition，memory,disposal and control, etc., it includes analog signals modulation, analog signals digitalization,digital signal processing and so on, so it is greatly useful. USB (Universal Serial Bus) technology is widely used because of the attributes of hot-plug-in, plus-and-play, engrossing less system resource. The USB2.0 has been paid much attention depending on the theory transfer rate of480Mbps. Based on the research, the solution to the data acquisition system was put forward with theUSB2.0 technology in the paper. With the analysis on the subject, the architecture of the USB was deeply analyzed firstly, and according to the scheme of the data acquisition system, the detailed hardware and software design was introduced. In the hardware section, the interface between the CY7C68013GPIF (General Programmable Interface) and the A/D converter was introduced, and the various DC-DC circuit were embodied. In the software section, the “wave descriptor” and the whole communication process of CY7C68013 in the GPIF master mode were expounded; and the testing result of the firmware was listed at the end of the firmware part;Function driver is the bridge between hardware and host software, and the design process of the WDM (Windows Driver Mode) driver for the USB was introduced here; Finally the application software used to exhibit the curves and save data was designed, and the functions of the softwarewere also explained. The data acquisition system based on the USB 2.0 technology has 14-bits resolution, single channel sample rate is 250KHZ, and the transform rate is 30Mbps. The system not IIonly achieves the data acquisition, transforming and memory, but also has the attributes of hot-plug-in, plus-and-play, and man-pack. The expect result is achieved.Key words: Data acquisition；USB2.0；CY7C68013；MAX125；Driver目 录1 USB的发展12 USB 总线概述22.1 系统硬件支持22.2 USB总线的物理连接和电气特性22.2.1 设备的连接和速度的检测32.2.2 USB 的电源32.3 USB数据流模型42.3.1 USB 总线拓扑结构42.3.2 USB通信流52.3.3 设备端点72.3.4 管道72.3.5 帧和微帧82.4 USB数据传输类型92.4.1 批量传输92.4.2 控制传输102.4.4 同步传输122.5 USB总线信号环境132.5.1 NRZI 数据编码132.5.2 位填充142.5.3 同步头143 数据采集系统的硬件设计153.1 系统原理介绍153.2 数据采集系统的芯片选择163.2.1 USB芯片选择163.2.2 模数转换芯片的选择173.3 芯片性能介绍173.3.1 CY7C68013的性能特点173.3.2 CY7C68013 的枚举和重枚举193.3.3 A/D转换芯片MAX125 的介绍203.4 USB控制器电路设计213.5 A/D采样通道设计223.6 电源转换电路设计243.6.1 +5V电源设计243.6.2 -5V电源设计243.6.3 +3.3V电源设计253.7 EEPROM电路设计254 数据采集系统的固件程序设计274.1 固件开发环境274.2 固件程序的功能和架构274.2.1 固件的功能274.2.2 FX2 固件典型架构284.3 设备端点的配置314.3.1 端点缓冲区的分配314.3.2 端点寄存器的设置324.4 GPIF 接口的固件设计344.4.1 GPIF简介344.4.2 GPIF波形设计354.4.3 GPIF程序的生成374.5 数据采集程序设计374.6固件下载395 设备驱动程序设计415.1 WDM 驱动程序415.2 设备驱动程序的组成425.2.1 驱动程序的入口例程435.2.2 创建设备445.2.3 IRP分发与处理例程445.3 USB 设备驱动程序的开发455.4 INF 文件476.1 Win32 程序接口496.1.1 启动USB 设备496.1.2 读取设备数据506.1.3 关闭USB 设备516.2 应用程序界面设计及其功能516.2.1 应用程序开发环境516.2.2 应用程序功能的实现527 结论与展望537.1 论文的结论537.2 展 望54参考文献55致 谢57附录58VI前 言 在工业生产和科学研究等行业中，常常需要利用PC 或工控机对各种数据进行采集处理，如液位、温度和压力等。数据采集系统主要完成数据信息的采集、A/D 转换，然后通过PC 接口总线将处理后的数据送入计算机作进一步处理。目前，以这样的系统为核心的设备在国内外得到了广泛的应用，比如工业控制中现场数据的采集设备；生物医学方面的电生理信号的采集系统；机场、商场等人流量大或比较重要的场所安装的监控设备；家庭影院、视频会议、可视电话等多媒体设备。数据采集卡同计算机外设一样，与主机的通讯接口一般是基于PC上的RS-232 总线、ISA总线、PCI总线或EPP/ECP等1。PCI总线虽然具有较高的传输速度（132Mbps），并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，而且由于PC机扩展槽一般为 56 个，因此最多也只能有 56 个PCI数据采集卡同时用在一台微机上；并且PCI插槽占用主板相当大的空间，这也不利于微机系统的小型化。对于ISA总线也存在同样的问题。RS232C串行总线虽然连结简单，但其传输速度慢（只有 56Kbps），并且主机的串口数目也十分有限。总之，采用这些传统接口的数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦；价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差2；在一些电磁干扰性强的测试现场，可能无法专门对其作电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真。随着通用串行总线USB的出现，很好的解决了以上这些问题。采用USB总线接口的采集系统具备了如下优点： 1. 设备安装和配置容易。USB 设备支持即插即用，安装USB 设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备，完全不用关闭计算机。 2. 接口数目多，每个 USB 主机通过USB 集线器，可以同时挂接最多127 个外围设备，有效地解决了多点数据采集系统I/O 口不够用的问题。 3. 数据传输速度比一般的串行总线(如RS232，RS485 等)快，USB1.1 标准的接口最快可以达到12Mbps，可以满足绝大多数多点数据采集系统的要求。在PC主机和采集系统都具备支持USB2.0 标准的接口芯片时，最快可以达到480Mbps，可以满足高速数据采集系统的要求。 4. 设备能够直接由 USB 总线进行供电。 因此研究设计一种基于USB2.0 接口技术的数据采集系统具有十分重要的实用价值。VIII1 USB的发展 USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）作为一种新的外设连接技术，最初是由 Compag，DEC，IBM，Intel，Microsoft，NEC和Northern Telecom等七大业内巨头共同开发的。该技术着眼于简化计算机与外设的连接过程，顾及低速和高速的兼容；从而解决串行设备和并行设备与计算机相连的争论，为用户提供一种可共享的、可扩充的、使用方便的串行总线3。随着PC机向各层次的发展与渗透，外围设备与PC的连接与扩充变得越来越重要。1994 年，Microsoft公司提出PnP（Plus and Play，即插即用）方案，旨在把PC外设和扩充电路板连接起来，实现系统对中断和端口等资源的自动分配，而无需用户的干预。1996 年，Compag，Intel和Microsoft三家厂商提出Device Bay(设备插架)概念，其目的是实现热插拨和高度的扩充性。USB 最初推出的是1.X 版本，其总线传输速度较低，有12Mbps（全速）和1.5Mbps（低速）两种。目前，它主要应用于传统PC 外设，如鼠标、键盘、显示器等，移动存储设备如移动硬盘、U 盘等，以及新兴的消费类电子，如MP3 播放器、数码相机、移动电话等。USB2.0 于2000 年4 月发表，是一种高速模式的版本，它把数据传输速度提高到了480Mbps，在保持了USB1.1 优点的前提下，保证了向下的兼容性，可以完全支持各种 USB1.1 的产品4。不过，如果要使用高速传输，则必须使用与USB2.0 兼容的主机软件与主机控制器，也就是说在主机的操作系Windows2000/XP中安装USB2.0 补丁程序，另外还要安装支持USB2.0 的主机控制器或者PCI接口USB2.0的扩展卡。 USB 设备的迅速增加，设备与设备之间的直接数据传输变得越来越迫切，USBOTG (On-The-Go)技术应运而生567，它于2001 年12 月底制定，赋予了设备双重身份。也就是说它既可以作为主机，又可以作为设备，其实质是在设备中增加了一个嵌入式计算机来执行主机任务。这一技术使USB设备摆脱了对PC的依赖，大大扩展了USB的应用范围。2 USB 总线概述目前，USB 设备的发展如日中天，国内外已推出了几百种USB 设备，包括USB 集线器、打印机、扫描仪器、存储器、数码相机和调制解调设备等。USB 设备在实际应用中已经逐渐取代传统的外设，因此研究USB 具有一定的意义。本章将介绍设计USB 设备所必须的基本知识。2.1 系统硬件支持 在数据采集系统中应用USB2.0 接口总线，首先计算机系统要支持USB2.0 协议，也就是说主机要有USB2.0 的主控制器及其相应的驱动程序来支持USB2.0 的设备。 目前计算机几乎都支持USB1.1 协议，如果支持USB2.0 协议，那么系统的USB 主机就必须包含USB2.0 根集线器，用于给系统提供一个或多个设备端口；同时，系统还必须安装相应的驱动程序。在操作系统的“设备管理器”中可以看到开发数据采集系统所使用的计算机所包含的USB2.0 主控制器和根集线器。2.2 USB总线的物理连接和电气特性 USB数据传输采用四根电缆，其中两根（D+、D-）是用来传送数据的串行通道，另两根（VBUS、GND）是符合标准的电源线，为下游的USB设备提供电源，如图2-1 所示8。图2-1 USB 电缆 其中，D+、D-是串行数据通信线，它支持两种数据传输速率，对于高速外设，USB以全速12Mbps或高速480Mbps传输数据；对于低速外设，USB则以1.5Mbps的传输速率传输数据。USB总线会根据外设情况在不同的传输模式中自动地转换。VBUS通常是+5V电源，GND是地线。2.2.1 设备的连接和速度的检测图2-2低速设备电缆缆图2-3 高速设备电缆 上图可以看出，高速设备和低速设备的区别在于电缆下行端上的上拉电阻的位置不同。高速设备电缆的下行端的上拉电阻位于D+线上，而低速设备电缆的下行端的上拉电阻位于D-线上。USB 也是以此来判定连接的设备是高速还是低速的。2.2.2 USB 的电源 USB 的电源主要包括两方面： 电源分配：即 USB 的设备如何通过USB 总线获得主机提供的电源； 电源管理：即通过电源管理系统，USB 的系统软件和设备如何与主机协调工作。（1） 电源分配 每段USB 都在电缆上提供了数量有限的电源。主机向与它直接相连的USB 设备提供电源，并且每USB 设备都有自己的电源。那些完全依靠电缆提供能源的设备称作“总线功能”设备。相反，那些有另外电源的设备称作“自供电”设备。而且，集线器也可为连接在它上面的USB 设备提供电源。（2）电源管理USB 主机与USB 系统有相互独立的电源管理系统。USB 的系统软件和主机的电源管理系统相互作用，处理系统的电源事件，如挂起和恢复等。另外，USB 设备还有额外的功耗管理特性，允许软件对他们进行功耗管理。2.3 USB数据流模型9USB 的数据流模型主要描述了数据是如何通过USB 进行传输的问题，而且数据流模型也是建立在USB 数据传输和系统协议之上的。2.3.1 USB 总线拓扑结构USB将USB设备和USB主机连接在一起。USB的物理互连是一个分层的星形拓扑结构，集线器在每个星形的中心。每段线路都是主机与集线器或功能设备之间，或者集线器与另一个集线器或功能设备之间的点对点连接。如图 2-4 所示，说明了USB 的总线拓扑结构10。图2-4 USB 总线拓扑结构 由于集线器和电缆中的信号传输有定时限制，该星形拓扑结构的最大层数为7 层（包括根层）。而且要注意的是，在这7 层结构中，主机和任何设备间的通信通路最多可支持5 个非根集线器。一个复合设备（Compound Device）(如图2.4 所示)占用了两层；因此，如果它被连接在第7 层就不能运转，第7层只能允许连接功能设备。一个USB 主控制其最多可连接127 个外设（包括根集线器）。2.3.2 USB通信流 USB 在主机的软件和USB 功能设备之间提供了通信服务。功能设备根据不同的客户软件与功能设备的相互作用对通信流有不同的要求。通过将USB 功能设备的各种通信流分离，USB 能更好地全面利用总线。通信流利用总线访问来完成主机和功能设备之间的通信。通信流在设备的端点中止，设备的端点可以识别所有通信流。如图 2-5 所示为USB 主机/设备详细示意图。图2-5 USB 主机/设备详细示意图 主机和USB 设备物理上的简单连接要求大量的层和实体之间相互作用。USB 总线接口层提供主机和设备之间的物理/信号/包的连通性。USB 设备层是USB系统软件所具有的观点，也是USB 系统软件对设备执行普通USB 操作的层。功能层通过合适的匹配的客户软件层向主机提供通信的能力。USB 设备和功能层在他们的层内都有一个逻辑通信的情况，但是实际上他们是通过USB 总线接口层完成数据传输的。USB 逻辑设备对USB 系统来说是一个端点的集合。接口是端点聚集而成的端点集，是功能设备的体现。USB 系统软件用默认的控制管道管理设备。客户软件用管道束（与端点集相关）来管理接口。客户软件要求数据通过USB 在主机上的缓冲区和USB 设备上的端点之间移动。而在 USB 上移动之前，由主机控制器（或者USB 设备，由传输方向决定）将数据进行封装。当总线访问是在 USB 上移动数据包时，主机控制器也协同操作。图2-6 USB 通信流 图2-6 所示为通信流在端点与主机端的存储器缓冲区之间的管道传输。主机上的软件通过一组通信流与逻辑设备通信。这组通信流使设备的通信要求与USB提供的传输特性有效地匹配10。2.3.3 设备端点 端点是 USB 设备唯一可识别的部分，是主机和设备间通信流的终点，每个USB 逻辑设备都由独立端点集（这个集合就是接口）组成。当设备连接时，系统为每个逻辑设备分配了唯一的地址，设备的每个端点在设计时就给定了一个由设备决定的唯一的标识符端点号。每个端点都有由设备决定的数据流方向。设备地址、端点号和方向的组合允许唯一指定一个端点，每个端点都单一的连接，支持一个方向的数据流输入（从设备到主机）或输出（从主机到设备）。 USB 系统的输入输出都是针对主机而言，比如说定义了设备的一个输出端点，这里所说的输出就是指数据从主机传输到USB 设备，而不是从设备输出。而输入端点，存放的是要从USB 设备传到主机的数据，这些数据对主机来说是要输入的，所以就称为输入端点，尽管它在设备上。 所有的USB 设备都要求实现用端点0 作为输入和输出端点的默认控制方式。USB 系统软件用这个默认的控制方式对逻辑设备进行初始化和一般的操作（比如配置逻辑设备），就像默认的控制管道一样。通过默认的控制管道可以访问设备的配置信息，并允许对一般的USB 状态和控制进行访问。功能设备在执行的过程中可能需要额外的端点。除了默认管道所需的端点之外，其它端点只有在配置为设备的正常部分后才可以使用。2.3.4 管道 USB管道是设备端点和主机软件之间的联系。管道可以通过存储器的缓冲区在主机软件与设备端点之间传输数据。有两种相互独立的管道通信模式11： 1. 流：在管道中传输的数据没有 USB 定义的结构。 2. 消息：在管道中传输的数据有某些 USB 定义的结构，只能用于控制传输。 由两个端点号为0 的端点组成的管道称为默认管道，这个管道在USB 设备上电或接收到一个总线复位信号后一直可用，而其他管道在USB 设备配置后才开始存在。USB 系统软件用默认的控制管道决定设备的识别和配置要求并配置设备。在设备配置后默认控制管道也可以由特定的设备软件使用，USB系统软件保留默认控制管道的所有权，并协调其他客户软件对管道的使用。 客户软件程序通常通过I/O 请求包（IRP）向管道请求数据传输，完成之后客户软件等待或者接收通报。如果需要，客户软件程序可以使管道返回所有未处理的IRP。当与IRP 相关的总线事务成功完成或者因为错误结束时，客户软件程序都会收到IRP 的完成报告。IRP 可以要求多数据有效载荷在总线上传输客户数据。这个多数据有效载荷IRP 的数据有效载荷是要求的最大包的大小，而最后的一个数据有效载荷是所有IRP 的剩余部分数据的大小。对于没有填满IRP 数据缓冲区的短输入信息包IRP（即小于数据有效载荷的最大值），根据客户程序的要求，可能是以下两种含义中的一种： 1. 客户程序可能期望 IRP 中数据总量的大小可变。在这种情况下，不能填满IRP 数据缓冲区的短信息包可以只作为指出 “数据单元结束”的带内界定符。此时，这个IRP 应当能无错误地取消，并且主机控制器应该处理下一个IRP。2. 客户程序可能期望一个指定大小的数据总量。在这种情况下，没有填满 IRP 数据缓冲区的短信息包是一个错误指示器。这时，IRP 应该被取消，管道应该被终止，并且任何和该管道有关的挂起的IRP也应该被取消。2.3.5 帧和微帧USB 工作在全速/低速状态时，主机控制器每隔1 毫秒发送一帧数据；而工作在高速状态时，主机控制器每隔125 微秒就发送一帧数据。一帧（或微帧）数据可包含几种事务。图2-7 表示帧和微帧的产生图2-7 帧和微帧的产生2.4 USB数据传输类型12 USB 数据传输类型是从USB 系统软件的管理角度来描述的。传输（Transfer）是指在客户软件和它的功能模块之间的一个或多个信息传输的总线事务。传输类型决定于客户软件和它的功能模块之间的数据流特性。USB 定义了4 种传输类型，以满足在总线上进行不同类型的数据的传输需要。2.4.1 批量传输 批量传输用于传输突发的大量的数据，全速模式时以8，16，32 或64 字节（高速模式时是512 字节）的信息包传送。由于对出错的数据自动的进行重发，批量数据可确保无误发送。当主机准备接收批量数据时，它发出一个IN 令牌包。设备端点通过返回一个数据包，或者如果不能返回数据，则返回NAK 或者STALL 握手包作为应答。NAK 表示设备暂时不能返回数据，而STALL表示端点永久地被停止，需要USB 系统软件的干预。如果主机接收到有效的数据包，它就通过一个ACK握手包响应。如果主机在接收数据时检测到错误，它将不返回任何握手包给设备。 当主机准备传输批量数据时，它首先发送一个OUT 令牌包，之后再发送数据包（或者是PING 特殊令牌包）。如果设备无错地接收到数据包，那么设备将返回下列三个握手包中的一个（高速设备，也可能是第四种握手包NYET）： 1）ACK：表示数据包被无错地接收，通知主机可以发送下一个包。 2）NAK：表示数据被无错地接收，但是由于功能设备暂时的条件（比如说，缓冲区满了）而阻止它接收数据，因此主机应该重发数据。3）STALL：如果端点被停止，则返回STALL 以告诉主机不要重试传输，因为设备上有错误条件。如果接收的数据包有CRC 或者位填充错误，那么将不返回任何握手包。批量传输格式如图2-8 所示。图2-8 批量传输2.4.2 控制传输 控制传输至少有两个阶段：建立阶段和状态阶段。控制传输也可以根据不同的情况选择是否需要在建立阶段和状态阶段包含一个数据阶段。如图 2.9 所示的控制建立（SETUP）事务。在建立阶段，SETUP事务用于将信息发送到功能设备的控制端点。如图2-9 说明了建立事务的格式。收到 SETUP 包的设备必须接收SETUP 的数据并用ACK 应答，但是如果数据损坏，则丢弃数据并且不返回握手信息。而且如果有数据阶段，则数据的数量和方向必须在紧接着的下一个阶段指定。如果数据量超过了先前确定的数据包的大小，数据将在几个事务中分别传输。图2-9 控制传输的SETUP 事务 控制传输的数据阶段由一个以上的IN 或者OUT 事务组成，并遵守与批量传输同样的协议规则。数据阶段中的所有事务都必须有相同的方向，即同为OUT 或者同为IN。控制传输的状态阶段是控制事务的最后一个事务，并且也遵循与块事务同样的协议序列，状态阶段是以相对前面的数据流方向而变化的，并且总是使用DATA1 PID。例如，如果数据阶段由输出事务构成，则状态阶段是单一的输入事务。如果控制传输没有数据阶段，那么状态阶段由输入事务构成。图2-10 说明了控制传输事务读写顺序以及数据时序位和控制读写序列的数据PID 类型。图2-10 控制读写序列2.4.3 中断传输 中断传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输，是一种主机定时侦听设备。设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，在1-255ms 之间。中断传输在高速时的数据载荷可达1023 字节，在全速时的载荷量小于64 字节。中断传输主要应用于键盘、操纵杆和鼠标。 中断传输事务可由输入或输出构成。一收到输入标记，设备便可返回数据、NAK 或STALL。如果端点没有新的中断信息可供返回，设备在数据时相里返回NAK 握手包。如果中断端点的停止特征被设置了，设备将返回STALL 握手包。如果有中断等待的事务，设备在数据包中返回中断信息。作为对数据包接收的反应，如果主机无错的被接收数据，则发出ACK 握手包；如果数据包损坏，则不返回握手包。图2.11 说明了中断传输格式。2.11 中断传输2.4.4 同步传输 同步传输用于保证时间优先的数据流，如音频和视频数据流，传输的时间对于数据来说是非常必要的条件，在全速模式时，一个同步包包含1023 字节；在高速模式时，一个同步包包含1024 字节。在每一个USB 帧中，为同步传输分配了一定USB 带宽。为了减少内部的事务操作，同步传输没有握手信号，也不具有重发机制，如图2-12 所示。同步传输不使用数据轮换位机制，在全速模式时，同步数据只使用DATA0 PID 标志；在高速模式时，同步数据使用DATA0、DATA1、DATA2 和M DATA。在全速模式时，对于每个端点，一帧中只有一个同步包；在高速模式时，对于每个端点，一个微帧中就可以包含多个同步包。图2-12 同步传输2.4.5 四种传输方式的总结 控制传输在所有的 USB 设备中都需要使用，因为主机对USB 设备的配置命令都需要通过控制传输来传送，而设备的描述信息也需要通过控制传输传递给主机。至于同步传输，应用于实时性要求较高，而准确性要求较低的场合，比如视频设备要求图像不能有明显的滞后，而如果传输的某些字节出错，人眼也无法察觉，这时就使用同步传输来传送视频数据流。中断传输和批量传输都属于异步传输方式，他们的主要区别在于传输数据的速度不一样，一般来说，批量传输比中断传输要快得多。本设计是采用批量传输的方式进行传输的。2.5 USB总线信号环境 USB 串行数据是用NRZI（Non-Return-to-Zero Inverted，不归零翻转）进行数据的编码，编码过程是在通过USB 数据线进行传输之前进行的。图2-13 就是在通过USB 数据线进行信息传输时包含的步骤。NRZI 编码首先由USB 代理进行，它负责发送信息。接下来，编码后的数据被放入USB 数据线，这是由差分驱动程序完成的。接收器放大传来的差分数据，并把NRZI 数据发送到解码器。对数据进行编码和采用差分信号进行传输有助于确保数据的完整性和消除噪声干扰。图2-13 采用NRZI 编码和差分信号的传输方式2.5.1 NRZI 数据编码在 NRZI 编码中，“1”表示电平不变，而“0”表示电平的变化。图 2-14 所示的是一个数据流和它相对应的NRZI 编码。上面的图的高电平表示数据线上的1 状态，下面的表示的是 NRZI 编码。连续的一串0 使 NRZI 数据在每个位周期都触发，而连续的一串1 则导致数据中长期都没跳变。图2.14 NRZI 数据编码2.5.2 位填充数据编码序列：图2-15 位填充 为了保证足够的信号跳变，传输设备在总线上发送包时都使用位填充技术，如图 2-15 所示。在NRZI 编码之前，数据流上每出现六个连续的1 之后都要插入一个0，迫使在NIZR 数据流上有一个跳变。这样，在每七个位周期时间内，就给了接收器逻辑一次数据跳变，从而保证了数据和时钟锁定。2.5.3 同步头同步头位于每个包前，允许接收器同步它们的位恢复时钟，如图 2-16 所示。同步头等效于7 个0后接一个1（0x80）的数据结构。图2-16 同步头3 数据采集系统的硬件设计3.1 系统原理介绍图3-1 数据采集系统结构框图 图3-1 为本数据采集系统的结构框图。其工作流程如下：传感器采集到的模拟信号经过调理后，由模数转换器(MAX125)转换为数字信号；CY7C68013 负责把MAX125 转换后得到的数据读取到其内部FIFO 缓冲区，由程序判断MAX125 的转换结束中断信号来决定MAX125 上的数据是否有效。当应用程序发出接收数据的请求，并有设备发出相应的响应时开始传输数据。数据采集系统在总体上分为硬件和软件两大部分。数据采集系统的硬件部分主要包括芯片的选择、数据采集和传输电路以及电源转换电路等。数据采集系统的软件部分主要由三部分组成：USB 固件程序、USB 设备驱动程序以及应用程序；三部分程序之间相互协作来完成整个采集系统的功能。当系统上电后，系统自动识别设备并加载驱动程序，USB 控制器的固件程序可通过USB 电缆从主机下载到其内部程序RAM 中，并经过枚举和重枚举后开始正常工作，PC 可以通过应用程序取得系统的各种配置信息。USB 控制器以GPIF（通用可编程接口）Master 模式控制数据采集和读取，并通过CY7C68013 GPIF 的波形图控制MAX125 的采集和读取数据的时序。3.2 数据采集系统的芯片选择3.2.1 USB芯片选择 目前 USB 芯片大致分为5 大类型： 1） 单独运作的 USB 接口芯片； 2） 内含 USB 单元的微处理器（MPU）； 3） 特定的接口转芯片，如 USB 转RS-232 或USB 转ATA/ATAPI 等； 4） PC 端或主机端的USB 控制器； 由于后两种是属于PC 主机板与芯片组制造商所开发的领域，不适合用户来开发USB 外围设备；因此，对于一般的USB 接口的开发者而言，可以选用前面的两种来满足自己的设计要求。1） 单独运作的 USB 接口芯片所谓USB接口芯片，即是仅包含USB的串行接口引擎（SIE）、FIFO内存、收发器以及电压调节器等的芯片。为了降低成本，有的仅包含模拟的差动电路而已。这类的芯片只处理USB相关的通信工作，必须外加一个微控制器（MCU）来管理USB控制器的寄存器、设备描述符的获取和数据包的交换等，芯片提供一个串行或并行的数据总线来与控制器进行连接。这样，外部接口可能比USB最大速度要慢，使得芯片只适合传送间歇数据。这种类型的接口芯片常用的有Philips公司的PDIUSB11、11A 与12 系列13，National Semiconductor 公司推出USBN9602/9603 以及NetChip公司的NET2888 与NET2890 等等。2） 内含 USB 单元的微处理器（MPU） 芯片内部已经嵌入了通用微控制器类型的USB控制器芯片一般是在通用微控制器的基础上扩展了USB功能，其优点是开发者熟悉这些通用微控制器的结构和指令集，相关资料丰富，易于进行开