基于USB传输的数据采集及处理系统论文范本

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3.0 林婧 2024-09-20 10 4 861.01KB 30 页 150积分

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温州大学 Page 1

摘要 2

Abstract 2

1. 引言 3

2. 系统总体设计简介 3

3. 系统的硬件体系结构 3

3.1 UART 转 USB 接口的设计 4

3.1.1 CP2101 芯片的功能及工作电路图 4

3.1.2 CP2101 的外围接口电路 6

3.1.2 RS-232 电平转换电路 6

3.2 数据采集系统的设计 7

3.2.1 器件选择 7

3.2.2 A/D 转换电路 8

3.2.3 四分频电路 8

4.系统软件体系结构 9

4.1 处理系统的设计 9

4.1.1 处理系统的功能 9

4.1.2 处理系统界面设计 9

4.1.3 数据处理系统用户界面控件回调程序设计 9

4.1.4MATLAB 环境下 PC 机与单片机通信的设计 11

4.1.5 Matlab 对串行口的编程控制

4.2 USB 设备驱动程序设计 12

4.3 数据采集系统的软件设计 13

4.3.1 系统的通信协议 13

4.3.2 A/D 转换子程序设计 14

5. 应用实例 15

5.1 实例（一） 15

5.2 实例（二） 15

6. 总结 16

7. 致谢 17

8. 参考文献 17

9. 附录 18

9.1 数据处理子系统程序 18

9.2 单片机端程序 27

9.3 数据采集子系统电路图 29

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基于USB传输的数据采集及处理系统

摘要：本文介绍了一种基于 USB 传输的数据采集及处理系统的设计和实现，主要包括 USB 接口的工作原理、

接口芯片的应用方法、单片机端的数据采集以及 PC 机端接口程序的设计与数据处理的方法。系统实现了 PC

机对数据采集子系统采样速率的控制，并实时地将采集到的数据传输到基于 Matlab-GUI 界面设计的数据

处理子系统中进行实时分析、处理、显示和储存。与一般的数据采集系统相比，本系统数据传输快、误码率

低、上位机处理功能强大等特点。且该套方案实施容易，稳定可靠，为研究数据采集与数据处理提供了方

便。

关键词： USB AT89C51 单片机图形用户界面（GUI）

Data Acquisition and Process System

Based on USB Transmitting

Author: Zhang Bingwei

Tutor: Li Fangzhou

(Physics and Electricment Information Department of WenZhou University 325027)

Abstract: this paper discuss how to design data acquisition and process system

based

on USB Transmitting. We further introduce some system’s structure such as

Operation

principle of USB、application method of Interface chip、the method of data collected by

MCU、

design of the interface procedure and the method of data processed in PC. The function of this

system is that , by Matlab programming ,computer can control of the Sampling rate of data

acquisition system through USB interface. Then, by USB’s interface ,the data is sent

to the process system based on Matlab-GUI Interface to analyze、operate、display

and store. To compare with general data acquisition system, it has the characters of fast

speed、low bit error rate and powerful to process data in PC. This method is reliable and easy to

implement. And it brings a lot of convenience for the research of data acquisition and

process

system.

Key words: USB AT89C51 GUI

1. 引言

通用串行总线USB（Universal Serial Bus）作为一种新型的数据通信接口在越来越广

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阔的领域得到应用。而基于USB接口的数据采集与传统的串口数据采集相比具有即插即用、

热插拔、传输速度快、通用性强、易扩展和性价比高等优点。

数据采集的后端数据处理一般采用Visual C++编写，较为复杂，花费的时间较长。由

美国Mathworks公司开发的Matlab语言是面向理论分析研究、工程计算数据处理和作图的一

套具有强大功能的软件系统。其中Matlab语言是一种以矩阵为基本运算单元的解释执行的

高级语言，只要几条语句就能实现诸如FFT变换、FIR/IIR滤波等数据分析处理，易于调试、

理解和维护，而且程序编程简单、直观。因此它特别适用于数据采集处理系统。利用它编制

USB接口程序，把Matalb语言和USB总线紧密结合起来的数据采集及处理系统将集成两者的

优点。USB总线可以实现对外部数据实时高速的采集，把采集的数据传送到主机后再通过

Matlab的功能模块顺利实现数据分析、处理、显示和存储。

2. 系统总体设计简介

本设计以 Atmel 公司的 AT89C51 单片机为下位机，PC 机为上位机组成的实时数据采集及

处理系统，介绍了基于 USB 传输的 Matlab 环境下,PC 机与单片机通信的实时数据处理方法

的实现。数据采集系统的结构框图，如图 1 所示。PC 机 USB 接口与单片机 UART 口通过

MAX232 电平转换芯片相连，系统工作时，Matlab 通过调用设备控制工具箱中的 serial 类

及相关函数，来创建串口设备对象，得到设备的文件句柄，从而以操作文件的方式实现对

PC 机 USB 接口的读写操作。因而 PC 机可以通过Matlab 向USB 接口发送特殊指令，单片机应

用系统对此作出相应的反应，将 A/D 采样数据通过USB 串口回送给 PC 机。此时，Matlab 通

过查询的方式，实时接收单片机发送的数据，并完成对数据的分析处理、文件存储、傅立叶

变换及图形显示。

图1 基于USB传输的数据采集及处理系统的原理框图

3. 系统的硬件体系结构

基于 USB 传输的数据采集及处理系统硬件模块主要由微控制器、A/D 转换器、USB 通

信接口芯片、MAX232 电平转换芯片和分频器等模块组成。整个硬件系统按功能分则由 USB

接口电路和数据采集电路两部分组成。数据采集电路部分完成前端采样信号的采集、模数转

换以及处理、采样速率控制和传输控制；USB 接口电路则完成单片机与 PC 机之间的通信。

系统的 A/D 转换、数字I/O 的设计沿用了传统的设计方法。根据采集的精度、速率、通道

数等诸元素选择合适的芯片，设计时充分注意了抗干扰的性能，尤其对A/D 采集更是如此。

在微控制器和 USB 接口的选择上有两种方式：一种方案是采用具备 USB 通信功能的

单片机，如Intel、SGS-Tomson、Cypress、Philips 等芯片厂商都推出了具备 USB 通信接口的

单片机;另一种方案是采用普通单片机加上专用的 USB 通信芯片，现在的专用芯片中较流

行的有 Silicon Laboratories 公司的CP2101 、National Semiconductor 公司的

USBN9602、ScanLogic 公司的SL11 等。本设计的微控制器和 USB 接口的选择采用了第二个

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温州大学Page1目录摘要2Abstract21.引言32.系统总体设计简介33.系统的硬件体系结构33.1UART转USB接口的设计43.1.1CP2101芯片的功能及工作电路图43.1.2CP2101的外围接口电路63.1.2RS-232电平转换电路63.2数据采集系统的设计73.2.1器件选择73.2.2A/D转换电路83.2.3四分频电路84.系统软件体系结构

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