基于USB的数据采集系统的研究与设计--总结

基于USB的数据采集系统的研究与设计--总结
第一篇：基于USB的数据采集系统的研究与设计--总结
基于 USB 的数据采集系统的研究与设计
目前，市场上有几百种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。

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。

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。

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。

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。

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，并且每个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。

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 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。

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。

设备端点（Device Endpoint）
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）。

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：
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。

帧和微帧（Frames and Microframes）
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。

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。

USB数据传输类型
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。

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。

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。

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。

数据采集系统的硬件
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(Firmware)、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。

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；
模数转换芯片的选择
目前，随着数据采集应用的日益普遍，为了满足不同场合和分辨率的要求，模数转换芯片也是种类繁多。

选择A/D 转换芯片需要考虑器件本身的性能和具体的应用要求。

选择A/D 转换芯片要考虑一些参数指标，如芯片精度、芯片的转换速度和芯片的转换量程等。

1)精度：与系统测量的信号范围有关，但估算时要考虑到其他因素，转换器位数应该比总精度要求的最低分辩率高一位。

常见的AD 器件有 8 位，10 位，12 位，14 位，16 位等。

2)速度：应根据输入信号的最高频率来确定，保证转换器的转换速率要高于系统要求的采样频率。

3)模拟信号类型：通常AD 器件的模拟输入信号都是电压信号，而 DA 器件输出的模拟信号有电压和电流两种。

为了匹配USB2.0 的高速传输特性，满足广泛的实际需要，本设计选用的是采样速度快、分辨率高的 A/D 转换器 MAX125。

数据采集系统的固件程序设计
固件程序主要负责完成两项任务：一是作为驻留在设备中的内部应用程序，响应主机的列举请求，实现配置设备并将设备的配置信息
(如支持哪些传输类型和端点)告知主机，进而为主机和设备之间进行数据通信做好准备工作：二是作为整个设备的控制中心，根据用户应用系统的特定要求，实现对外围设备的具体控制。

USB控制器芯片借助CPU执行固件程序来控制芯片的活动，以实现数据传输功能。

固件的设计就是使在USB总线上的传输能获得快速的、有效的数据传输速度。

它的操作方式与硬件联系紧密，包括USB设备的连接、列举、重列举、USB协议和中断处理等。

列举和重列举
列举和重列举是 USB 设备的一个非常重要的机制。

是在初始阶段必须经历的阶段，只有这两个过程成功的完成，USB 设备才可能实现系统中设计的功能，否则，设备只能是一个主机不能识别的最原始的设备，或者是功能不完全的设备。

设备端点的配置
端点配置是在TD_Init()函数中实现的。

USB数据通过端点缓冲区进入FX2 和从FX2 中取出。

为了保证 480Mb/s高速的传输速率，外部逻辑经常在没有FX2 内嵌的CPU参与的情况下，直接与端点FIFO 交换数据。

USB设备启动时，要配置端点使它获得足够的带宽和FIFO 深度，使数据传输更加平稳和高速。

当应用程序要求CPU处理外部逻辑和USB之间的数据流时（或者根本就没有连接外部逻辑时），固件可以将端点缓冲区作为RAM块或（使用特定的自动增量指针）FIFO访问。

设备驱动程序的组成驱动程序是一些例程的集合，它们被动的存在，等待主机系统软件（PnP管理器、I/O管理器、电源管理器等）来调用或激活它们。

WDM驱动程序的功能模块基本由五个部分组成:入口例程，即插即用例程，分发例程，电源管理例程和卸载例程。

1.入口例程：处理驱动程序的初始化；
2.即插即用例程：处理 PnP 设备的添加，删除和停止；
3.分发例程：处理用户应用程序发出的各种 I/O 请求；
4.电源管理例程：处理电源管理请求；
5.卸载例程：处理驱动程序的卸载。

USB 设备驱动程序的开发
目前，用于开发设备驱动程序的工具大概有以下几种：
1.直接使用Windows DDK：这种方法开发难度大，而且有很多烦琐的工作要作，大部分都是通用的基础性的工作，但是，使用这种方法，需要对WDM驱动程序的整体结构有一个很好的认识和把握。

2.使用Driver studio：工具难度会低一些，工具软件己经作了很多基础性的工作。

也封装了一些细节，使用者只需要专心去执行需要的操作。

但由于封装的问题，可能会带来一些bug，有可能导致项目的失败。

3.使用Win Driver：几乎没有难度(从开发驱动的角度)。

很容易，但只能开发硬件相关的驱动，事实上所写的只是定制和调用了它提供的通用驱动而已，工作效率不是很高。

但开发花费的时间很少。

第二篇：嵌入式生产数据采集系统研究论文
摘要：当今社会，科学技术不断发展，不断改变，不断创新，同一个行业的企业之间的竞争也越来越激烈。

在如此强烈的竞争环境下，企业如果想要获得更多的利益，想要有更好的社会地位，就必须不断改革创新，获得先进的科学技术，将先进技术应用到企业的各个方面。

企业建立相应的管理部门，对技术人员进行管理，让企业的生产能够顺利开展。

关键词：RFID的嵌入式；生产数据采集；研究与设计
一、对RFID技术的理解
RFID技术就是一种自动识别技术，读写器和电子标签是基本部件，不管是好的环境还是坏的的环境都能够使用RFID技术，而且不用很多人都看着这个技术进行，甚至都不用人工操作这项技术。

RFID技术的识别速度非常快，操作起来也不难，每个步骤都很容易操作，而且RFID技术的应用也越来越广泛，成本不断降低，能够被大部分人接受这个价格。

RFID技术的使用寿命相对于其它的技术来讲也比较长，不仅减少了资源的浪费，而且也为企业带来了更多的利益。

二、数据采集终端硬件的主体设计
（一）电源电路。

在设备运行过程中，一般情况下，工作电压是1。

8伏特，和其他的设备不太一样，数字电源和模拟电源之间有什么不一样，该设备就不能准确的识别出来。

在实际应用过程中，要多设计几条电路线，很有可能会出现多种应用电源的情况，也要应对一些突发事件，避免出现突发事件的时候，手忙脚乱，以至于连最基本的问题都无法顺利解决。

电源电路多线路的设计特点，提高了生产的质量，也促进了企业的发展[1]。

（二）系统时钟电路。

在实际应用数据采集系统的时候，要合理的利用LPC2210ARM7微控器，在使用过程中，可以通过两种不同的电路进行合理的使用，一种是外部晶振电路，还有一种是外部时钟源电路，而且内部的电路还是可以调节的，以便提高设备的运行速度，运行速度也是有限制的，最大的不能超过60赫兹。

在使用系统时钟电路的时候，要严格按照要求进行生产数据的采集。

（三）建立复位电路。

复位电路芯片的选择十分重要，任何的选择都可能影响企业的日常运行操作，供电电压要保持在一定的范围内，不要太低，也不要太高，保持在正常的范围内就行[2]。

复位电路的电压最高是2.93伏特，如果超过2.93伏特，就不能正常进行，要是想要正常的运行设备，必须严格控制电压，只有电压低于2.93伏特的时候，设备才能正常的运行。

三、数据采集终端的外围设计
（一）图形液晶模块接口的电路设计。

这类电路设计主要应用的是点阵图形，最大的优点就是可以容阔其他的模块。

使用点阵图形液晶模块接口的电路设计时，如果输入正确的指令，在点阵图形模块中就可能同时出现中文和英文。

而且点阵图形模块接口的电路设计可以降低设备的操作难度，符合大众的需求，让几乎每一个人都能体会到该设计的应用。

（二）键盘输入电路设计。

一般的工作都会应用到电脑，用电脑就会用到键盘，每一个技术人员对于电脑键盘的操作都不陌生，可以用键盘输入数据，统计数据，制作数据报表，计算工程利益预估的价格等，这就是人和机器很好结合的表现。

在设计电路的时候，键盘输入电路的设计最为普遍，很多人能够充分的了解该项设计内容，也能
很好的接受键盘输入电路设计，并且应用到实际的工作生产过程中。

而且现在学校中计算机的教育会先教学生使用键盘，随着人们不断的学习，键盘的使用已经扎根在人们的脑子里了。

四、结语
目前，我国的经济发展非常快，也发展的非常好，生产数据的采集还有很多不足之处，需要各个企业不断改革创新，争取建立最适合我国经济发展的生产数据采集系统。

各个企业的设计部门应该在现有电路设计的基础上不断完善电路设计内容，相关技术人员对于所使用的电路设计也要熟练的掌握其基本要领。

在当今社会中，通过解决工作过程中不断出现的一个又一个的问题，不断完善电路设计。

企业也要经常召开会议，对于技术的改革创新进行不断探讨。

在实际生产过程中，企业要建立相关的部门，专门负责生产过程中的设计问题，如果出现什么问题，要及时的解决问题，不要累积问题，让问题的危害扩大。

企业的相关部门也要对技术人员进行培训，很多技术在不断改革创新，就需要专业的技术人员对新技术做到熟悉了解，能够把新技术熟练的应用到生产过程中，推动企业的发展，避免企业在社会日益发展的潮流中被淘汰下去。

参考文献
[1]张开生，石瑞华，薛杨。

基于RFID技术的服装生产过程管理系统设计[J]。

单片机与嵌入式系统应用，2018，18（04）：43—48。

[2]嘉丹丹，蒋高明，丛洪莲，吴志明，焦洋。

应用ZigBee技术的纬编生产数据实时采集系统[J]。

纺织学报，2016，37（12）：129—133。

第三篇：小水电信息数据采集监控系统研究论文
摘要：在本文中，重点论述了小水电信息数据采集监控系统。

关键词：小水电站；信息数据采集监控系统；重要性；应用情况
1小水电应用信息数据采集监控系统的目的和意义
1.1将自动化和优化运行相互结合到一起，使电站获取一定的发电效益
应用水电站信息化数据采集监控技术，可以实现水电站自动化运
行，缓解人员工作的压力和劳动强度，从而提升经济效益。

1.2设备的稳定运行，从一定程度上保障了电能供应的可靠性
信息数据采集监控系统，不仅可以准确、快速的易相处水电站各个设备正常运行的状态参数，同时，还可以体现出水电站设备的各种事故，从而自动实施安全处理工作，确保了电网运行的安全性。

2对于小型信息数据采集监控系统的论述
2.1管理层
首先，从管理层进行论述，它主要是负责实施综合性管理工作，在此阶段中，以网络为基础，设备借助传输层和生产层中的服务器相互连接到一起，与此同时，和外网中的设备相互连接到一起，从而发布一些数据。

管理层中的设备主要包含多个环节，其中表现在系统服务器、监控计算机以及手机终端等。

在管理层中，一般是将小型水电站中的各项参数全部储存起来，然后加以分析和统计。

另外，对系统的控制，在管理设备的同时分析出存在的故障情况，随后解决。

从操作过程可以看出来，管理层内的软件自身具备特殊性和拓展性特征，它产生的作用极高，能够在遵循小型水电站原则以及合理使用技术的基础上来达到多个用户多场合应用。

2.2传输层
传输层一般是负责信息数据之间的交换，其中包含通信设备以及通信线缆等。

传输层产生的作用是借助各项现代化通信技术来完成数据之间的控制和传输。

传输层在遵循通信协议的基础上自动化识别各个信息设备包含的数据，及时的更换。

此外，传输层包含水电站监控设备和其它监测设备以及调度之间的通信。

在现有的传输层中，使用的通信模式主要是将有线通信和无线通信相互结合到一起，实现对机组运行的控制。

当前，很多领域都引进了无线通信这一方式，其中最具代表性的便是数据采集点不多并且成本过高的设备。

此外，无线通信还包含近距离和远距离。

针对距离较近的设备实施通信工作的时候，可以使用蓝牙、无线等，在距离较远的设备实施通信工作的时候，可以借助GPPS或者是3G网络。

2.3生产层
一般来讲，生产层主要是处于生产环节的，在这一操作期间，机构是以网络为基础，生产设备之间的连接包含通行网络设备和微机之间的连接、工作站和服务器之间的联系。

在自控设备中，通常是使用PLC和智能控制单位，它们基于数据总线的作用下，能够有效将设备以及智能仪表等全面结合到一起。

并且，生产层和管理层相互联系起来，共同组建成了健全的自动化控制系统。

在自动化控制系统中，对水电站信息进行收集的时候，主要是借助传感元件和执行元件来实施的，在有效分析和处理的基础上实现对设备的自动化控制目标。

在对信息数据进行采集的时候，不但要收集各种电压、电流以及功率等信息，同时还需要对湿度以及设备等数据进行全面的收集。

另外，采集的信息还包括设备管理信息以及声像信息等。

在数据采集模块中的传感元件能够依据系统的需要，分析、处理与存储各种稳态的数据。

3信息数据采集监控系统应用情况
小型水电站信息化系统是重要的一个环节，其具备综合性特点，是一项综合所有信息的管理系统，在这一阶段中，包含的东西较多，分别为工程、生产、设备管理、监控系统，数据整合与信息发布，办公自动化等。

在现有的信息数据采集期间，系统会根据已经规划完成的计划来管理各个方面的信息资源，这对于用户而言，能够起到很高的帮助，用户在找寻相关信息数据的时候，能够借助浏览的形式加以查询，与此同时，用户还可以按照有关的要求，对其进行操作、管理以及检测等。

在应用小型水电站信息化管理系统的时候，可以看出，该项系统自身是信息化和自动化相互联系到一起的综合性系统，具备的功能较多，包含内容广泛，操作起来比较的简单，其中主要涉及到管理决策、用电量以及声像等各个环节的数据信息，在实际的运行操作期间，它不仅可以有效的监督、控制以及储存相关的参数，与此同时，还可以明确分析存在的问题，加以解决。

进而在借助上述信息的基础上来全面的监督和控制水电站中的各项设备，完成整项水电站的信息化管理。

对于小型水电站信息化管理系统而言，在管理水库的时候，也可以引进信息化，其中主要体现在以下几个环节中：（1）收集水库中有关的信息；小水电信息化数据采集系统能够有效的收集水库
中的信息。

对于用户而言，要想较为详细的掌握和认识到水库的实际运行状态，那么登上浏览器搜索便可以获取。

（2）具备稳定监测大坝的性能；在这一环节中，可以设置监测点，将数据整理到一起，对信息数据进行分析，然后在此基础上建立健全的大坝监测管理制度。

（3）具备动态性监督水库中水量储存情况的功能；收集以及传输水库中的水量，对其实施监测工作，然后将水库汛情更加直接的体现出来。

（4）具备详细监测闸门的功能；这一方面涉及到闸门实际运行现状、操作情况以及自主报警等。

（5）根据监控视频来监督水电站运行情况；利用网络将视频直接发送到办公室中，加以查阅。

4结语
小型水电站的信息化系统中主要依照的技术便是信息数据采集监控系统，该项系统运行原理是有效的管理以及运用小型水电站中包含的各种新型数据。

并且，信息化系统是小型水电站中不可缺少的一个环节，其信息化程度对于综合管理以及技术管理水平有着直接的影响，所以要加以重视，合理应用，以此提升整个水电站的发电效益。

参考文献
[1]孙小江,董维芬,陶志坚,蒋汉贵.面向小水电站的信息化技术及其应用[J].电工技术,2017.[2]陈梦影,向娈.PLC在小型水电站低压压缩空气系统中的应用[J].湖北水利水电职业技术学院学报,2017.[3]李家银，周佳.浅谈水电站监控系统信息优化处置策略[J].信息技术与信息化，2018(z1).作者：罗钦宇单位：广东电网有限责任公司河源供电局
第四篇：基层农业统计数据采集与处理系统研究
基层农业统计数据采集与处理系统研究
摘要：智能手机数据采集相比传统数据采集在时效性等方面具有优势。

基于“基层农业统计数据采集与处理系统”的需求，在Android平台上，依据分层开发思想，详细设计了数据库适配器、数据层、结构层以及activity等，最终完成了软件系统的开发，为农业技术人员提供了易用、可靠的基层农业统计数据采集和处理工具。

关键词： Android；应用开发；农业信息化；界面设计
中图分类号：TP3 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）。