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基于USB接口Slave FIFO模式的核谱数据采集研究

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第1章引言

1.1选题依据及研究意义

1.1.1核辐射测量基础

1.1.2核谱探测原理框图

1.2核谱数据USB接口方法的研究现状及发展趋势

1.2.1 USB接口方法简介

1.2.2采用USB接口方法的主要特点

1.2.3国内核谱数据采集USB传输的介绍及发展趋势

1.3课题的主要研究工作和特色

第2章核谱数据采集USB传输设计总体开发方案

2.1核谱数据USB传输可行性分析

2.2硬件设计思想

2.3软件设计方案

第3章硬件详细设计方案

3.1 USB接口硬件设计方案

3.2主要芯片介绍及电路原理设计

3.2.1 USB接口电路

3.2.2存储RAM接口电路

3.2.3电源电路

3.2.4总线驱动及控制部分

3.2.5 EEPROM电路

第4章软件详细设计方案

4.1固件软件设计总体框图

4.2 EZ-USB固件程序设计

4.2.1 EZ-USB的启动模式

4.2.2 EEPROM寄存器配置

4.2.3 Slave FIFO固件基础

4.2.4主程序文件

4.2.5基本固件框架

4.2.6主机控制函数

4.3 Windows USB设备驱动程序设计

4.4用户Windows USB应用程序设计

4.4.1主机控制函数

4.4.2上位机程序设计

4.5核谱数据采集USB传输性能测试

4.5.1 USB数据传输速率测试

4.5.2稳定性测试

结论及建议

致谢

参考文献

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摘要

随着计算机技术的发展,对外围设备的接口技术也提出了更高的要求,由于USB接口的许多显著优点,使得它在计算机接口中占据了越来越明显的优势。目前,各种计算机,尤其是个人电脑及其外围电子设备大量采用标准USB接口,标准USB接口已成为必须的接口之一[1]。USB接口接口小巧、共享式接口、支持即插即用和热插拔、节省系统资源、支持多种操作、成本低、可以提供电源(USB总线可为连接在其上的设备提供5V电压/100mA电流的供电,最大可提供500mA的电流)、USB设备也可采用自供电方式以及良好的兼容性,而且安装和使用都相当方便,系统可对设备进行自动检测和配置,新添加设备系统不需要重新启动,USB系统数据报文附加信息少,带宽利用率高,可同时支持同步传输和异步传输两种传输方式。一个USB系统最多可支持127个物理设备;USB设备的带宽可从几Kbps到几Mbps(在USB2.0版本,最高可达几百Mbps)。一个USB系统可同时支持不同速率的设备,如低速的键盘、鼠标,全速的ISDN、语音,高速的磁盘、图像等(仅USB2.0版本支持高速设备);较强的纠错能力,USB系统可实时地管理设备插拔。在USB协议中包含了传输错误管理、错误恢复等功能,同时可根据不同的传输类型来处理传输错误。 当今的基于PC的智能仪器通常是通过ISA或PCI接口实现PC机与采样系统的数据交换,这样的接口设计有许多局限性。比如内置式插卡很容易受到PC机箱内高频干扰的影响,降低了系统的采样精度与稳定性,同时插槽有限常常伴生着PC机的I/O中断、地址等资源冲突等问题;加之安装不便、配置过程十分复杂,这些内置式接口将逐渐淡出智能仪器领域。也有一些仪器外挂在PC的RS-232串口或打印口上工作,这些接口看似简单其实由于提供的控制与应答信号太少,用起来不仅速度慢而且非常不利于智能仪器的开发与性能充分发挥。若将外围设备接到计算机上,USB接口是优先选择。目前使用的ISA/PCI数据采集卡由于诸多的缺点和不便已逐渐被淘汰:维修和维护方面成为瓶颈,如维修时须断电拆开主机,由于ISA数据采集卡上的器件由主机+5供电,单板上的芯片的短路多次导致ADC、主板和电源的烧毁,损失较大,目前新式计算机也不支持这种接口也无其配件。由于我国科研单位科研资金并不十分充裕,在仪器更新换代方面有些受阻,早期从国外引进的核谱测量仪还在使用,所以一旦损坏,即将面临仪器无法使用的停滞状态,可能导致后续科研工作无法进行,给科研单位带来严重损失,所以寻找一种简易可替代的产品已是迫在眉睫。西方国家在这些方面比较先进,技术比较成熟,产品更新较快,早在90年代初己更替使用PCI总线模式,2000年初已升级为USB接口。本次设计综合参考国内外设计方案、借鉴上海核物理研究所设计方法、考虑自身实际情况为一体,设计出满足自身需求的核谱数据采集接口。考虑到USB有许多优越性和方便性,本次设计也采用USB接口设计方案。采用USB接口隔离设计可以避免烧坏主机情况发生,另外可以排除使用专一计算机进行谱测试,只要任意一台安装MCA谱分析软件,插上USB就可以进行测量谱峰,可以即插即用,移动性强,可自动启动,无需用户干预,USB也不涉及IRQ冲突等问题,它单独使用自己的保留中断,不会与其他设备争用PC机有限资源,为用户省去了硬件配置的烦恼;在传输方面,USB支持3种信道速率:低速(1.5Mb/S)、全速(12Mb/S)、高速(480Mb/S)。 512-4096道核谱分析仪抛弃了传统接口方式的种种制约,采用了USB技术,使仪器的性能得到了很大的提升。本次设计采用的全速接口芯片已能满足数据传输要求,另外目前市场上USB可替代芯片比较多,单板容易改造升级,方便后续兼容性。USB接口不需要额外电源供电,使用内置+5V电源供电,不再需要专门交流电源,直接将5V电源变为3.3V供芯片使用,从而降低了这些设备的成本并提高了性价比,所以采用USB接口传输具有电路结构简单,兼容性强,使用维护简单方便等特点。本文论述了如何采用USB接口进行核谱数据采集数据传输,主要内容包括USB接口传输工作原理及硬件电路(包括:总体方案图、电源供电原理图、时钟电路、总线驱动及总线控制原理图设计方案);软件详细设计方案(固件源程序、驱动源程序及用户程序)以及核谱采集接口卡的使用方法概述等。

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