摘 要

信息时代的来临，对于传统的生产、科研方式带来了巨大的改变，计算机被发明的近70年来，电子信息技术迅速发展，同时，可与计算机相交互的外围设备也越来越多，传输的数据量、速度要求也越来越多。传统的工业采集系统速度慢，配置繁琐，稳定性差等；而如今，USB技术经过发展，也从USB1.1,USB2.0,来到了USB3.0的时代。

本设计主要内容便是基于USB3.0芯片的数据采集系统设计。USB3.0的优点显而易见：安装方便，支持热插拔，支持的设备众多，速度快，抗干扰能力好，可扩展性强。而USB3.0，相对于USB2.0的理论480Mbps速率，更是拥有了5.0Gbps的传输速率，用于满足日后的大数据量的传输要求。同时，USB3.0具有更高的供电能力，也更加稳定。

本系统包括软件和硬件两个部分，实现信息的高速采集，将信息送给USB接口，通过USB送至上位机，实现数据的采集。

系统的硬件部分主要包括搭载了ARM9芯片的USB3.0主控制器——赛普拉斯公司的EZ-USB最新的FX3开发板，以及相应的外围电路，包括AD转换电路、以及DA转换电路、多路选通器、独立电源以及串行并行隔离接口的设计。硬件设计中的各个芯片的选择都围绕CYUSB3014芯片的技术指标,每个部分都有明确自己模块的任务，以及与其余电路合作完成的功能。每个模块的核心芯片的选择依据，以及硬件连接图都会在文章中给出。

系统的软件部分主要是CYUSB3014的固件程序编程。本系统采用的是赛普拉斯公司官方提供的、集成了赛普拉斯EZ-USB开发插件 Eclipse软件，通过本软件，进行基于ARM9与CYUSB3014的编程，实现本系统需要的数据的接收、储存与发送功能。

关键字：数据采集，USB3.0，CYUSB3014，ARM9

Abstract

The coming of the time of information brings great changes for the old ways of production and science. In the about seventy years after the first computer had been invented, electronic technology developed very quickly, and at the same time, more and more peripherals which can interact with the computer have been produced, which requires more about the speed and amount of data to transfer. Traditional industrial acquisition system has a series of problems, such as the low speed, hard to set, poor anti-interference ability; but now, USB technology got through development of USB1.1, USB2.0, reach the time of USB3.0.

This design is based on the contents of USB3.0 chip data acquisition system. The advantages of USB3.0 is easy to see: easy to install, hot swappable, many supported devices, speed, good anti-jamming capability, High scalability. What’s more, compared with the 480Mbps of USB2.0, transfer speed of USB3.0 is 5Gbps, which is enough to meet the need of big amount of data to transfer. At the same time, USB3.0 has higher and more stable power to supply electricity.

This system includes both software part and hardware part, and makes it comes true that collects data in high speed and delivery data to USB interface and host PC.

The hardware part contains chip ARM9, USB3.0 controller chip CYUSB3014 and its peripheral circuits, AD convert chip AD7888 and its peripheral circuits, independent power source serial interface parallel isolation design. Every chip in the hardware are designed around chip CYUSB3014, and every part has its own task and jobs that need to cooperate with other parts. The standard of choosing of every part and the hardware circuit diagram will be provided in this essay.

The software of this design is mainly about firmware program. This design use Cypress’s Eclipse software which has Cypress EZ-USB plug-in and provided by Cypress.inc. By this software, we can code based on ARM9, CYUSB3014 to achieve the function of receiving, storing and sending of data.

KEY WORD: data collection, USB3.0, CYUSB3014, ARM9

目 录

第1章 绪论 1

第2章 总体设计 3

2.1 USB3.0数据采集系统的技术指标 3

2.2 USB3.0数据采集系统的硬件构成 3

2.3 USB3.0数据采集系统的软件组成 4

第3章 主控芯片设计 6

3.1 USB3.0接口简介 6

3.2 Cypress EZ-USB FX3简介 7

3.2.1 FX3的技术特性： 7

3.2.2模块逻辑图 9

3.2.3 CYUSB3014在本系统中的使用 10

3.3 FX3接口简介 11

3.3.1 USB接口 11

3.3.2 SPI接口 12

3.3.3 其余接口 12

3.4 基于USB3.0数据采集系统串行输入输出接口 12

3.4.1 SPI接口总览 12

3.4.2 SPI接口示意图 13

3.4.3 本基于USB3.0的数据采集系统中的SPI模块 14

3.4.4 SPI传输原理 15

3.5 采用GPIO接口作为并行接口 17

3.6 小结 18

第4章 外围电路设计 19

4.1 A/D转换电路介绍 19

4.1.1 模数转换器AD7888的特点介绍 19

4.1.2 AD7888引脚介绍 20

4.1.3 AD7888数模转换芯片的控制 21

4.1.4 AD7888的控制示范 22

4.2 数模转换电路设计 23

4.2.1 数模转换器 AD5320简介 23

4.2.2 AD5320在本系统中的应用 24

4.3 多路选择器介绍 25

4.3.1CD4051介绍 25

4.3.2 八路选择器的控制举例 27

4.4 独立电源 27

4.4.1 DC-DC芯片 VRB2405YMD-6WR2简介 28

4.4.2 本系统中的独立电源 28

4.5 采样保持器 28

4.5.1LF398介绍 28

4.5.2 本系统下的采样保持器的运用 30

4.5 隔离电路 31

4.6 多量程输入与运放 33

4.7 小结 34

第5章 软件设计 35

5.1 Eclipse等开发套件的使用 35

5.2 并行接口编程 37

5.2.1代码结构分析 37

5.2.2 核心代码分析 39

5.3 串行接口编程 42

5.4 小结 44

第6章 总结与展望 45

6.1 总结 45

6.2 展望 45

致谢 I

参考文献 II

第1章 绪论

USB3.0已经慢慢步入日常生活领域，使用范围越来越广。随着AlghaGo与李世石的人机世纪大战以4：1的结果落下帷幕，人们越来越重视起了人工智能等计算机技术。而相关的智能穿戴设备，智能小家电也在最近火热起来。这些“智能”都要以数据为基础，而数据传输自然是一个相当重要的领域。

在往日，数据采集的方法主要是采集板卡，以总线板卡为代表。但是他们在使用过程中，暴露出了不可弥补的缺点，即抗干扰性能差，易受到机箱内环境的干扰，导致错误，对于通讯极为不利；扩展性能差，无法挂接很多的设备，受到计算机插槽的数量与中断资源的限制；抗电磁干扰性能差，在一些电磁干扰性强的测试场所，若无法对其作专门的电磁屏蔽，就会导致数据失真。从经济方面来说，传统板卡的安装价格昂贵，过程复杂，也不利于大规模使用。市场对于数据采集有着强烈的变革渴望。

通用串行总线，即我们常说的USB,为以上需求提供了很好的解决方案。由多家公司联合推出,USB是新一代的标准总线接口，该总线是一种连接外围设备的机外总线,最多可连接127台设备,不仅解决了插口不够的问题,而且建立了一条连接和访问外设的方法,这些方法可以有效的减少总体成本,减少硬件冲突，为微机系统扩充和配置外部设备提供了方便。

从经济与现实意义来说，低成本、高可靠性的多点数据采集系统是USB——通用串行总线系统的一大优势，利用这种性能好，成本低，使用方便的技术,社会对USB的接受程度正在逐步扩大,已经有USB打印机，USB播放器等利用该技术的新型设备。可以预见，随着技术的发展，更多的设备会采用USB连接方式，这也就促使我们对于USB技术进行进一步的探索。