USB接口技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

目錄1方案提出的背景.錯(cuò)誤!未定義書簽。1.1研究課題的提出.錯(cuò)誤!未定義書簽。1.2USB接口的主要優(yōu)點(diǎn).錯(cuò)誤!未定義書簽。2系統(tǒng)的原理及其組成.錯(cuò)誤!未定義書簽。3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).錯(cuò)誤!未定義書簽。3.1芯片的選擇.錯(cuò)誤!未定義書簽。3.2PDIUSBD12的性能特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu).錯(cuò)誤!未定義書簽。3.3PDIUSBD12的端點(diǎn)描述.錯(cuò)誤!未定義書簽。3.4PDIUSBD12的指令集.錯(cuò)誤!未定義書簽。3.5PDIUSBD12的管腳配置.錯(cuò)誤!未定義書簽。3.5A/D與單片機(jī)接口電路.錯(cuò)誤!未定義書簽。3.6PDIUSBD12與單片機(jī)接口電路.錯(cuò)誤!未定義書簽。4系統(tǒng)軟件.錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1PDIUSBD12的固件編程.錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.1PDIUSBD12的固件編程思想.錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.2PDIUSBD12固件編程的結(jié)構(gòu).錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.3PDIUSBD12固件編程的實(shí)現(xiàn).錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.4控制端點(diǎn)處理程序.錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.5普通端點(diǎn)處理程序.錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.6主循環(huán)-MAINLOOP.C.錯(cuò)誤!未定義書簽。4.1.7PDISBD12固件編程的關(guān)鍵注意事項(xiàng).錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā).錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.1驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具的介紹.錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.2驅(qū)動(dòng)程序中的基本概念.錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.3USB驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu).錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.4USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì).錯(cuò)誤!未定義書簽。4.2.5USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用.錯(cuò)誤!未定義書簽。結(jié)束語(yǔ).錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn).錯(cuò)誤!未定義書簽。致謝.錯(cuò)誤!未定義書簽?；趩纹瑱C(jī)和USB接口技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文摘數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集包括從信號(hào)源采集信號(hào)，將其數(shù)字化，存儲(chǔ)分析并傳遞到個(gè)人PC上。通用串行總線(USB)作為一種新的微機(jī)總線接口規(guī)范具有便捷、易擴(kuò)展、低成本、低干擾等特點(diǎn)，非常適合作為主機(jī)和外設(shè)之間的通信接口。USB為數(shù)據(jù)采集設(shè)備/儀器與PC機(jī)之間的連接提供了一個(gè)費(fèi)用低廉且簡(jiǎn)單易用的方案。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)設(shè)計(jì)了一種基于USB的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件及固件PDIUSBD12程序設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)；USB接口；單片機(jī)1方案提出的背景1.1研究課題的提出信息技術(shù)與電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備也得到飛速發(fā)展和應(yīng)用。過(guò)去人們單純追求計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的傳輸速度，現(xiàn)在糾錯(cuò)能力和操作安裝的簡(jiǎn)易性也成為人們關(guān)注的目標(biāo)。USB通訊技術(shù)的出現(xiàn)，使高傳輸速度、強(qiáng)糾錯(cuò)能力、易擴(kuò)展性、方便的即插即用，有機(jī)的結(jié)合在一起。USB設(shè)備需要依據(jù)USB協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的解包與打包，底層硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)之間需要以驅(qū)動(dòng)程序?yàn)闃蛄骸ｒ?qū)動(dòng)程序以WDM為模型，以DDK為開發(fā)工具，以IRP為消息傳播載體，來(lái)實(shí)現(xiàn)與Windows系統(tǒng)底層核心機(jī)制向交互的功能。隨著控制系統(tǒng)的日益復(fù)雜，所要采集的量也會(huì)越來(lái)越多。因此尋求一種高速、安全、方便的通訊形式是十分必要的。USB技術(shù)雖然出現(xiàn)的時(shí)間并不長(zhǎng)，但是由于它的種種優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的廠商和用戶所接受，出現(xiàn)了USB打印機(jī)、攝像頭等產(chǎn)品。隨著機(jī)日益廣泛的應(yīng)用,其外設(shè)也逐日增多,但機(jī)接口的數(shù)量是一定的,這就限制了機(jī)掛接外設(shè)的數(shù)量。在很多應(yīng)用場(chǎng)合,如工業(yè)數(shù)據(jù)采集,常使用采集板卡來(lái)完成工作,采用板卡不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾,而且受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制,不可能掛接很多設(shè)備,而通用串行總線可以很容易的實(shí)現(xiàn)高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。1.2USB接口的主要優(yōu)點(diǎn)接口主要優(yōu)點(diǎn)為:(1)速度快。USB接口有高速和低速兩種方式,主模式為高速模式,速率為12/,USB2.0版規(guī)范允許480/的速率傳輸數(shù)據(jù),另外為了適應(yīng)一些不需要很大吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設(shè)備(如鼠標(biāo)等),還提供低速方式,速率為1.5/。(2)設(shè)備安裝和配置容易。安裝USB設(shè)備不必打開機(jī)箱,加減已安裝過(guò)的設(shè)備不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。所有USB設(shè)備支持熱插拔,系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)配置。(3)易于擴(kuò)展。通過(guò)使用戶HUB擴(kuò)展可接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)電纜長(zhǎng)度為3(5低速),通過(guò)USB或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30。(4)使用靈活。有控制傳輸(contronl)、同步傳輸(synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)4種傳輸模式和2種傳輸速率,可以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。2系統(tǒng)的原理及其組成基于USB的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的硬件模塊主要是由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、微處理器、USB接口控制芯片、串行口控制芯片、放大器等組成。本數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)是以飛利浦公司的PDIUSBD12作為系統(tǒng)的微控制器，管理和控制整個(gè)系統(tǒng)。該芯片集成度高，與51單片機(jī)兼容，不同的是片內(nèi)是8KB的flash內(nèi)存。整個(gè)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示:從結(jié)構(gòu)圖中可知，模擬輸入信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理(放大和濾波)后，輸出到A/D轉(zhuǎn)換器，微控制器把經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)USB控制芯片輸出給計(jì)算機(jī)，同時(shí)可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和鍵盤控制；另一方面，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采集到的數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)控制后，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出，進(jìn)而可以對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行控制；同時(shí)，該系統(tǒng)還可以作為一種USB和串行口的轉(zhuǎn)接卡，通過(guò)串行口與USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交互，充分利用了USB的快速性和RS-232遠(yuǎn)距離的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以通過(guò)該板卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸，既提高了傳輸速率，又增加了傳輸距離。而USB主機(jī)及顯示部分則通過(guò)輸出接口在PC機(jī)上顯示，采用軟件來(lái)模擬顯示輸入信號(hào)的波形。同時(shí)可以控制A/D轉(zhuǎn)換器的啟停、數(shù)據(jù)存取器的存取、USB外設(shè)芯片的工作、顯示圖形的放大和縮小等。USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布Y(jié)構(gòu)由以下三部分組成:通用USB控制芯片，微處理器，USB接口。它們構(gòu)成了一個(gè)USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚∠到y(tǒng)。其功能為:USB收發(fā)器負(fù)責(zé)處理所有與USB總線事務(wù)有關(guān)的任務(wù)，如總線喚醒、數(shù)據(jù)接受/發(fā)送、打包、CRC校驗(yàn)等，但該收發(fā)器不負(fù)責(zé)解釋這些數(shù)據(jù)的意義；微處理器負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、響應(yīng)主機(jī)請(qǐng)求、以及控制USB收發(fā)器的工作；內(nèi)存負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和提供數(shù)據(jù)。圖1設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)原理圖其中，狀態(tài)監(jiān)視器是一個(gè)高速的單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)掉電和恢復(fù)操作的，當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)3ms檢測(cè)不到主機(jī)的請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入掛起狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)從掛起狀態(tài)退出以后，狀態(tài)監(jiān)控器就產(chǎn)生一個(gè)正脈沖以復(fù)位/喚醒整個(gè)系統(tǒng)。3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基于USB的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)主要利用了A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)和USB技術(shù)，是伴隨著USB技術(shù)的迅速發(fā)展與新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)主機(jī)接口(USB口)發(fā)送到上位機(jī)并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，其波形保真性能與A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率、分辨率與精度密切相關(guān)。A/D轉(zhuǎn)換速率越高，復(fù)現(xiàn)的波形的分辨率也就越高；A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越多，精度越高，波形保真性越高。在選擇一個(gè)芯片時(shí)，用戶一般考慮的是芯片含有的功能、價(jià)位、是否容易取得以及是否容易開發(fā)等因素。一個(gè)芯片是否容易開發(fā)與開發(fā)工具是否容易取得及其品質(zhì)，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，有無(wú)示例程序代碼，以及對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)等的了解而定。下面對(duì)本系統(tǒng)中芯片的選擇作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。3.1芯片的選擇基于USB的外置式硬件電路的設(shè)計(jì)核心是USB控制器的選擇，在進(jìn)行一個(gè)具體的USB設(shè)備開發(fā)之前，首先要根據(jù)具體要求選擇合適的USB控制器，整個(gè)USB外圍設(shè)備的設(shè)計(jì)將圍繞該控制器展開。在選定USB控制器以后，如果是帶USB接口的單片機(jī)，則是一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)；若是USB外設(shè)接口芯片，就是USB外設(shè)接口芯片與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的接口問(wèn)題。一般USB接口芯片都支持多種并行總線結(jié)構(gòu)(復(fù)用/非復(fù)用)，可以方便地與多種單片機(jī)連接。目前，市場(chǎng)上可供選擇的USB接口芯片很多，按照功能基本上分為兩類:一類是純粹的USB接口芯片或通用USB外設(shè)接口芯片(也稱USB設(shè)備器件)；另一類是帶有USB接口芯片的單片機(jī)(也稱USB主控制器)。(1)帶USB接口的單片機(jī)(USB主控制器)這類芯片主要有Cypress公司的CY7C63xxx/CY7C64xxx系列和EZ-USB,Intel公司的8X930/8x931,Philips公司的ISP1161(USB1.1)/ISPI561(USB2.0),Scanlogic的SL11R以及Motorola的MC68HC908JB8系列等。這種方案的最大好處在于開發(fā)難度較小，因?yàn)榇蠖鄶?shù)這樣的單片機(jī)芯片都是基于8051結(jié)構(gòu)或者其它常見的結(jié)構(gòu)，有自己的精簡(jiǎn)指令集，與單片機(jī)類似，熟悉單片機(jī)開發(fā)的開發(fā)者對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集非常熟悉，但其開發(fā)一般需要專用的仿真器，對(duì)于簡(jiǎn)單或低成本系統(tǒng)，價(jià)格高將會(huì)是最大的障礙。(2)純粹的USB外設(shè)接口芯片(USB設(shè)備器件)這類芯片主要有NS公司的USBN9602/9603/9604,Scanlogic的SUIT以及Philips公司的PDIUSBD11/PDIUSBD12(USB1.1)/ISP1581(USB2.0)等。純粹的USB外設(shè)接口芯片僅處理USB總線相關(guān)事務(wù)，必須有一個(gè)外部微處理器來(lái)進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。這種方案的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口形式多樣、可靠性高、靈活性大，尤其適合于產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是開發(fā)者需要非常熟悉USB協(xié)議，還必須用微處理器來(lái)控制USB外設(shè)接口芯片的工作。綜合比較，PDIUSBD12是一款性價(jià)比很高的USB器件，可使設(shè)計(jì)者選擇最合適的微控制器，減少開發(fā)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)及費(fèi)用，是最實(shí)用最快捷的方法實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)的方案。該芯片支持一個(gè)控制端點(diǎn)以及4個(gè)額外的端點(diǎn)地址。一個(gè)端點(diǎn)的緩沖區(qū)可以儲(chǔ)存到128個(gè)字節(jié)，而雙緩沖區(qū)可以到256個(gè)字節(jié)。PDIUSBD12通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并千示接口，并支持本地DMA傳輸。PDIUSBD12完全符合USB1.1規(guī)范，并符合大多數(shù)器件的分類規(guī)格:成像類、海量存儲(chǔ)器件、通信器件、打印設(shè)備以及人機(jī)接口設(shè)備。同樣地，PDIUSBD12還適用于打印機(jī)、掃描儀、外部存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)碼相機(jī)等等。另外，該芯片還集成了許多特性，包括SoftConnect,GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終止寄存器集合，簡(jiǎn)化USB功能在外設(shè)上的應(yīng)用。由于51系列的單片機(jī)是應(yīng)用非常廣泛的一種微處理器，在其基礎(chǔ)上開發(fā)了大量的軟件包，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理我們都非常了解，故本系統(tǒng)中我們采用8902進(jìn)行核心程序的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)其所需的功能。A/D選用我們熟悉而且能滿足要求的AD0809。而PDIUSBDI2能夠完成將數(shù)據(jù)信號(hào)到符合USB規(guī)范的信號(hào)的轉(zhuǎn)換。為此，我們利用89C52中豐富的軟件資源和USB總線技術(shù)即插即用、熱插拔特性來(lái)完成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這樣可以降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期、降低風(fēng)險(xiǎn)。3.2PDIUSBD12的性能特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)PDIUSBD12是一款性價(jià)比很高的USB器件，通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，它還支持本地的DAM傳輸。PDIUSBD12(以下簡(jiǎn)稱D12)完全符合USB1.1規(guī)范，它具有的低掛起功好耗連同LazyClock輸出可以滿足使用ACPI,OnNOW和USB電源管理的要求。D12集成了許多新的特性，包括可編程時(shí)鐘輸出、SoftConnet,GoodLink、低頻晶振。（1）可編程時(shí)鐘輸出:不必考慮電路設(shè)計(jì)時(shí)使用高頻晶振產(chǎn)生的EMI問(wèn)題D12的CLKOUT引腳輸出時(shí)鐘信號(hào)，可用作MCU時(shí)鐘，最低4MHZ，最高達(dá)48MHZ.D12內(nèi)部有倍頻電路，外部只需6M晶振即可提供D12自身工作時(shí)鐘(48MHZ)及輸出時(shí)鐘。（2）軟連接(SoftConnet)技術(shù):芯片內(nèi)集成有1