基于USB总线的数据采集系统设计

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1、基于USB总线的数据采集系统设计姓名：薛勇学号：0611002239学院：电子信息学院指导老师：申红明课题研究背景及意义在USB出现以前,计算机的典型接口有并行口(打印口)、串行口鼠标口、键盘口、显示器口、游戏口及各种卡式接口(如声卡、网卡)等,与这些接口对应的有各种不同的电缆。在传输速度方面,这些接口都存在速度偏低的问题;在技术方面,这种设计容易产生I/O冲突、中断(IRQ)不够用，以及对于每一种新的外设都必须设计新的接口卡等缺点。随着技术的飞速发展，越来越多的外设需要接口，摄像头、数码相机、MP3、外置硬盘、光驱等接踵而来。面对人们的日趋

2、扩大的需求，老式的外部接口虽然一再改进、加强，却无法胜任新的要求。为了满足计算机与外设的传输要求，USB(UniversalSerialBus通用串行总线)一个全新的外设接口规范应运而生。最初，USB是由Compaq、Intel等七家公司共同开发的一种外设连接技术。这一技术主要解决串行设备和并行设备如何与计算机相连的问题，大大简化计算机与外设的连接过程。从终端用户的角度来看，它可以简化各种设备的连接和配置。不仅如此，它还可以解决老式的外围设备所存在的某些技术问题。USB采用典型的串行数据传输模式。但是随着USB1.1的广泛的使用，其传输速度慢

3、、设备与设备之间不能通信的缺点逐渐暴露出来。为此USB2.0协议和USBOTG补充规范相继被推出。USB2.0协议使得USB总线的传输速度有了一个很大的飞跃，在高保真的图象视频传输、大容量的数据采集等场合中USB也得到了广泛的应用。USBOTG是USB2.0协议的补充规范，它使外设可以在无主机参与的情况下直接互连进行通信。由于USB支持即插即用、热插拔、总线供电特性使其在越来越多的领域得到应用，成为真正意义上的"通用”总线。USB总线的特性与优势由于USB总线为电缆和连接头提供了单一模型，接口的电气特性与用户无关，而且能够自检外设、自动进行设

4、备驱动和设置，外设还可以动态连接、动态配置，因而为终端用户提供了良好的易用性。USB总线的应用场合非常广泛：可以适应不同设备，传输速率从几kbps到几百Mbps；在同一条线上支持同步、异步两种模式；支持对多个设备的同时操作，最多可同时操作127个物理设备；在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流；支持多功能的设备；利用低层协议，提高了总线利用率。USB总线支持同步传输，它确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用，同步工作状态下可以利用整个总线带宽。USB总线的通信具有很强的灵活性：直接支持一系列不同大小的数据包，允许选择设备缓冲器的大小；通

5、过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传输率；通过协议对数据流进行缓冲处理。USB协议通过其差错处理/差错恢复机制来实现自身的健壮性，可以对有缺陷的设备进行鉴别，并且完全支持热插拔。由于USB协议采用差分传输方式，因而具有很好的传输可靠性。除了在结构和性能上的优势之外，USB总线还具有与PC产业的一致性，它表现为：协议的易实现性和完整性、与PC即插即用体系结构的一致性以及与现存操作系统的良好兼容性。另外，USB为外设的开发提供了物美价廉的解决方案。它以低廉的价格提供12Mbps的子通道，电缆和连接头也相当廉价，将外设和主机硬件进行了最优

6、化的集成，从而促进了低价格外设的发展。USB的体系结构保证了USB系统具有良好的可升级性，它支持在一个系统中同时存在多个USB主机控制器。USB的基本组成USB系统一般由三个主要的部分组成：1．USB主机控制器/根集线器2．USB互连3．USB设备USB主机是整个通信模式的核心，是整个USB系统的管理者。USB互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作。USB设备就是能过通过USB来发送和接收数据，从而实现一定功能的实体。USB设备的结构可以分为3个层次：功能单元、逻辑设备和总线接口。如图所示。图1USB设备的结构总线接口是最底层的物理

7、实体，以USB接口控制器作为核心，是USB发送和接收数据的接口。它通过电缆直接与USB主机交换串行数据，并能过实现串行数据到并行数据的转换。USB逻辑设备处于中间层，它是USB协议栈的主体，主要是处理总线接口和不同端点之间的数据。实现USB的各种基本行为。功能单元是为了实现不同USB设备具体功能。如USB接口的数码相机中图像采集、压缩的功能，USB移动存储设备中数据的存储功能等。传输方式1、控制传输控制传输属于双向传输，它把非周期性的由主机软件发起的请求可靠的传送给USB设备，经常在设备配置中使用，用于命令事务和状态事务。控制传输恒定占用总线

8、10%的带宽，每个控制数据包最大为64字节，带有CRC校验的功能。2、批量传输批量传输可以是单向或者双向的，特别适合非周期性大数据包的可靠传输，典型的应用是用来传输