畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于USB總線和89C51單片機的數(shù)據(jù)采集設(shè)計.doc

論文題目：基于USB總線和89C51單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計學生姓名：所在院系：機電學院所學專業(yè)：應用電子技術(shù)教育導師姓名：完成時間：摘 要本文介紹了基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的開發(fā)法，包括數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計、USB總線的硬件設(shè)計，同時也簡單的介紹了設(shè)備固件設(shè)計、基于USB的遠程數(shù)據(jù)采集。89C51通過對多路采集模塊進行控制,選出一路通道的數(shù)據(jù)寄存在單片機，再通過USB芯片將89C51采集到的數(shù)據(jù)上傳給上位機。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集，89C51，通用串行總線Based on the USB bus and 89C51 single-chip data acquisition system designAbstract This paper introduces the acquisition based on USB bus-based data acquisition, including the data acquisition hardware design and USB bus of the hardware design. Also introduces USB-based remote data acquisition system and firmware design. 89C51 selects the way data storage channel in the single-chip by controlling multi-channel module, and then the data collected by 89C51 upload to the host computer. through the USB chipsKey word: Data Acquisition, 89C51 Single-chip, Universal Serial Bus目 錄1 引言12 總體方案設(shè)計12.1 設(shè)計思路12.2 設(shè)計方框圖13 數(shù)據(jù)采集設(shè)計23.1 模擬信號的多路選擇23.2 多路開關(guān)原理23.3 A/D轉(zhuǎn)換介紹33.3.1 分辨率33.3.2 誤差和精度43.3.3 轉(zhuǎn)換速率43.3.4 A/D轉(zhuǎn)換的方法43.4 數(shù)據(jù)采樣電路44 單片機介紹64.1 單片機的基本組成64.2 單片機引腳及功能65 USB接口電路設(shè)計75.1 USB芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)85.1.1 端點085.1.2 端點195.1.3 端點295.1.4 外部固件參考流程95.2 USB芯片與單片機的接口電路105.3 USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計116 應用程序設(shè)計127 設(shè)備固件設(shè)計138 遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計149 結(jié)束語15致謝15參考文獻15附錄一 整體電路圖17附錄二 CH375芯片管腳18附錄三 程序清單191 引言在工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)研究過程中，常常需要對各種數(shù)據(jù)進行采集，現(xiàn)在常用的數(shù)據(jù)采集方式是在PC機或工控機內(nèi)部安裝數(shù)據(jù)采集卡，如A/D卡、RS-422卡及RS-485卡。采集卡不僅安裝麻煩，易受機箱內(nèi)其他電路的干擾，而且由于受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。本設(shè)計利用通用串行總線(Universal Serial Bus，簡稱USB) 設(shè)計了基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備很好地解決以上這些沖突。2 總體方案設(shè)計2.1 設(shè)計思路 本設(shè)計主要包括三部分：數(shù)據(jù)采集設(shè)計部分，單片機控制部分和USB設(shè)計部分。數(shù)據(jù)采集由多路模擬開關(guān)、濾波采樣保持、隔離放大、A/D轉(zhuǎn)換、光電隔離器組成。單片機采用AT89C51。USB電路主要采用CH375芯片。單片機再從地址寄存器中發(fā)出地址控制信號經(jīng)光耦控制多路模擬開關(guān)。多路模擬模擬開關(guān)根據(jù)地址控制信號選擇一路信號進行濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后送至單片機的移位寄存器。移位寄存器將采集到得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位并行是傳送到USB芯片的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中；一旦數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存滿，USB芯片自動將數(shù)據(jù)打包即時請求讀入數(shù)據(jù),然后89C51系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀出，由收發(fā)器通過數(shù)據(jù)線(D+、D-)送至主機。2.2 設(shè)計方框圖光 電 隔 離 器多 路 模 擬 開 關(guān)單 片 機USB 電 路上 位 機濾 波 采 樣隔 離 放 大A/D 轉(zhuǎn) 換 圖1 設(shè)計方框圖3 數(shù)據(jù)采集設(shè)計3.1 模擬信號的多路選擇32路模擬電壓信號（如1-5V）送往多路模擬開關(guān)組成的模擬數(shù)據(jù)選擇器，選擇控制信號決定其中1路模擬信號經(jīng)濾波、隔離放大、A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)镸位十進制數(shù)據(jù)，存到單片機的移位寄存器中移位寄存器，單片機再將采集到得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)由USB接口電路送到上位機。當?shù)刂肪€為8位是，最多可達2的8次方256路。如不采用數(shù)據(jù)選擇方案，則所需的隔離放大器、A/D轉(zhuǎn)換器也將多達256個4。3.2 多路開關(guān)原理多路開關(guān)是切換數(shù)字信號和模擬信號的器件，也稱多路轉(zhuǎn)換器或多路復用器，記為MUX，能切換數(shù)字信號的多路開關(guān)也稱數(shù)據(jù)選擇和數(shù)據(jù)分配器;能切換模擬信號的多路開關(guān)也稱多路模擬開關(guān)，模擬開關(guān)同時也能切換數(shù)字信號。早期的多路開關(guān)曾采用繼電器，但它有速度慢、體積大、噪聲大、使用壽命短等缺點?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)采用電路中多采用集成的多路開關(guān)，典型的多路開關(guān)有4雙通道多路開關(guān)、單8通道多路開關(guān)、雙8通道多路開關(guān)、單16通道多路開關(guān)等。其中單8通道多路開關(guān)典型的產(chǎn)品型號為CD4051，但由于它們是早期標準CMOS產(chǎn)品，性能已經(jīng)不能滿足控制系統(tǒng)的許多要求。AD公司的ADG658/659是CD4051/CD4052的改進型?，F(xiàn)已ADG658/ADG659為例介紹其機構(gòu)和功能，ADG658/ADG659引腳圖如圖2所示,其功能見表1。 圖2 ADG658/ADG65引腳圖表1 ADG658功能表A2A1A0EN/輸出DXXX1與輸入斷開0000S10010S20100S30110S41000S51010S61100S71110S8ADG658有一個使能端EN/和三個選擇/分配控制端A2、A1、A0，S1-S8和D分別為多路開關(guān)引出端，S1-S8既可作輸出，也可做輸入。S1-S8做輸入時，D做輸出。當把ADG658視為8選1數(shù)據(jù)選擇器時，A2、A1、A0為選擇控制端，S1-S8做輸出，D為輸入：當把ADG658視為1至8數(shù)據(jù)分配器時，A2、A1、A0為分配控制端，使能端EN/=1是，S1-S8與D之間斷開。EN/和A2、A1、A0為邏輯信號輸入端，S1-S8與D之間可傳邏輯信號4。表2 ADG659功能表A1A0EN/輸出DA輸出DBXX1與輸入斷開與輸入斷開000S1AS1B010S2AS2B100S3AS3B110S4AS4BADG659有一個使能端EN/和兩個選擇分配控制端A1、A0，S1A-S4A和DA、S1B-S4B和DB分別構(gòu)成4：1MUX,它同時受EN、A1、A0控制。3.3 A/D轉(zhuǎn)換介紹 3.3.1 分辨率分辨率是用來表示ADC對于輸入模擬信號的分辨能力，也即ADC輸出的數(shù)字編碼能反映多么微小的模擬信號變化。ADC轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿量程電壓于在最小有效值之比值。例如，具有12位分辨率的ADC能夠分辨出滿量程的1/4096，對于10V的滿量程能夠分辨輸入模擬量電壓變化的最小值約為1.5mV.對3位半A/D轉(zhuǎn)換器，滿量程數(shù)據(jù)位1999，其分辨率為1/1999。顯然ADC數(shù)字編碼的位數(shù)越多，其分辨率越高8。3.3.2 誤差和精度誤差包括量化誤差、偏離誤差、線性度登。量化誤差是由于ADC的有限分辨率所引起的誤差。偏離誤差時指輸入信號為0是輸出信號不為0的值，所以有時也稱零值誤差。線性度有時也稱非線性度，它是指ADC實際的輸入/輸出特性曲線與理想直線的最大偏差。精度通常也稱轉(zhuǎn)換精度，有絕對精度和相對精度之分。絕對精度是指為例產(chǎn)生某的數(shù)字碼，所對應得模擬信號值與實際值之差的最大值，它包括所有的誤差。相對精度是絕對精度與滿量程輸入信號的百分比。它通常不包括能夠被用戶消除的誤差。對于線性編碼的ADC，相對精度就是非線性度，其值為加減1/2LSB.精度通常與分辨率密切相關(guān)，高精度的前提必須有高分辨率，當然單有高分辨率還不一定就可達到高精度。3.3.3 轉(zhuǎn)換速率ADC的轉(zhuǎn)換速率就是能夠重復進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。有時也用完成的一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間來表示，稱為轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換時間也就是轉(zhuǎn)換速度的倒數(shù)。不同轉(zhuǎn)換方式的ADC其轉(zhuǎn)換速率有很大不同。低的只有1次/秒，高的可達百萬次/秒。3.3.4 A/D轉(zhuǎn)換的方法A/D轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法有多種，隨著大規(guī)模集成電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新型設(shè)計思想的A/D轉(zhuǎn)換器就不斷涌現(xiàn)。不同方法實現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換器也就使用于不同的場合。比如說并行式ADC它的特點就是轉(zhuǎn)換速度最快但是分辨率不高，適合高頻采樣的場合；逐次比較式ADC它的轉(zhuǎn)換速度高，轉(zhuǎn)換分辨率比較高，速度和分辨率能滿足大部分要求，但常態(tài)干擾的抑制能力較差。適用于溫度、壓力、流量、語音、電量等信號的采集。3.4 數(shù)據(jù)采樣電路圖3給出的是1個利用4片ADG658和1片ADC0831組成的32路數(shù)據(jù)采樣電路。32路模擬量輸入的為毫伏級電壓，經(jīng)多路開關(guān)選取其中1路信號，送至RC濾波電路，再經(jīng)高精度運放OP-07放大然后送至ADC0831進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以串行輸出。放大器的增益電壓約為100，ADC0831的Ref基準電壓為2.5V，由MAX6034_25提供，因而可測量輸入信號的電壓范圍為2.5V/100=25mV.假定輸入信號來自K分度號熱電偶，在輸出電勢為0-25mV時，對應的測量溫度為0C-600C。該數(shù)據(jù)采用電路如應用于熱電偶的檢測，還有三點需要考慮，一是零點補償，二非線性校正，三是量程校正。零點補償電路可加在放大器之前，也可通過其他傳感器測量冷端溫度，然后通過軟件補償。非線性校正一般可采用軟件方法，在精度要求不高的情況下，對K分度熱偶也可省略非線性校正。量程校正即對放大器增益的校正，通過電路中的電位器微調(diào)增益。如希望K分度熱電偶600C時的電勢24.902mV與輸出2.5V對應，則電壓增益應校正為2.5/0.24902=100.39另外可以通過對ADC8031的Ref經(jīng)電阻衰減作為校正信號，從輸入通道中引入，通過軟件自動校準，但此時會減少1路輸入。圖3 32路數(shù)據(jù)采樣電路采樣電路控制信號通過光電隔離與單片機相連，輸入信號由P1.5-P1.0控制，P1.6和P1.7用于控制A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由T1引入。4 單片機介紹4.1 單片機的基本組成89C51單片機包括一個：一個8位的80C51微處理器。片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM/SFR，可以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果以及預顯示的數(shù)據(jù)等。片內(nèi)4KB程序存儲器Flash ROM，用以存放可以程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。4個8位并行I/O端口P0P3，每個端口既可以用作輸入，也可以用于輸出。兩個16位的定時器/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設(shè)置成計數(shù)方式，用以對外部進行計數(shù)，也可以設(shè)置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機控制。具有5個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)。一個全雙工UART（通用異步接受發(fā)送器）的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與PC機之間的串行通信。片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接，最高允許振蕩頻率為24MHz。89C51單片機與8051相比，具有節(jié)電工作方式，即休閑方式及掉電方式9。以上各個部分是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計的，其工作頻率可下降到0Hz，并提供兩種可用軟件來選擇省電方式空閑方式和掉電方式。在空閑方式中CPU停止工作，而RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。此時的電流可降到大約為正常工作方式的15%。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復位為止。4.2 單片機引腳及功能 各個引腳及其功能：VCC(40腳)：電源端，為+5V。Vss(20腳)： 接地端。XTAL2(18腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。在89C51片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率。若須采用外部時鐘電路，則該引腳懸空。要檢查89C51的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號輸出。XTAL1（19腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。RST(9腳)：RST是復位信號輸入端，高電平有效。定時器T0(3.4)和定時器T1(3.5)是兩個16位的定時器/計數(shù)器，都具有定時和事件計數(shù)功能，可用于定時控制、延時、對外部事件計數(shù)和檢查等場合。P1：P1口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口的輸出緩沖能接受或輸出4個TTL邏輯門電路。當對P1口寫1時，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作為輸入端使用。當作為輸入端使用時，P1口因為內(nèi)部存在上拉電阻，所以當外部被拉低時會輸出一個低電流（IIL）。P2：P2是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P2口的輸出緩沖能驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。當向P2口寫1時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL）。P2口在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如MOVX DPTR）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，P2口使用強大的內(nèi)部上拉電阻功能當輸出1時。當利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時（例MOVX R1）,P2口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。當EPROM編程或校驗時，P2口同時接收高8位地址和一些控制信號。P3口：P3是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P3口的輸出緩沖能驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。當向P3口寫1時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL）。P3口同時具有的多種特殊功能，具體如下表所示:表3 P3口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD (串行輸入口)P3.1TXD（串行輸出口）P3.2 (外部中斷0) P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0）P3.5T1（定時器1）P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）5 USB接口電路設(shè)計USB接口芯片采用南京沁恒公司的一種專用芯片HC375。全速設(shè)備接口，兼容USB V1.1即插即用，外圍元器件只需要晶體和電容。提供一對主端點和一對輔助端點，支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。具有省事的內(nèi)置固件模式和靈活的外部固件模式。內(nèi)置固件模式下屏蔽了相的關(guān)USB 協(xié)議，自動完成標準的USB 枚舉配置過程，完全不需要本地端控制器作任何處理，簡化了單片機的固件編程。支持5V 電源電壓和3.3V 電源電壓，CH375 芯片還支持低功耗模式。CH375芯片是CH372芯片的升級版，CH375在CH372基礎(chǔ)上增加了USB主機方式和串口通訊方式等功能，所以硬件功能更多，但是其它功能完全兼容CH372，可以直接使用CH375 的WDM 驅(qū)動程序和DLL 動態(tài)鏈接庫。采用SSOP-20 封裝其功管腳能見附錄二。5.1 USB芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)該芯片CH375 芯片內(nèi)部集成了PLL 倍頻器、USB 接口SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動并行接口、命令解釋器、通用的固件程序等主要部件。PLL 倍頻器用于將外部輸入的12MHz 時鐘倍頻到48MHz，作為USB 接口SIE 時鐘。USB 接口SIE 用于完成物理的USB 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，自動處理位跟蹤和同步、NRZI 編碼和解碼、位填充、并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換、CRC 數(shù)據(jù)校驗、事務握手、出錯重試、USB 總線狀態(tài)檢測等。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于緩沖USB 接口SIE 收發(fā)的數(shù)據(jù)。被動并行接口用于與外部單片機交換數(shù)據(jù)。命令解釋器用于分析并執(zhí)行外部單片機提交的各種命令。通用的固件程序用于自動處理USB 默認端點0 的各種標準事務等。CH375芯片內(nèi)部物理端點：5.1.1 端點0端點0 的接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)各是8個字節(jié)。SETUP事務和OUT 事務使用同一個接收緩沖區(qū)，但是使用不同的事務應答方式。當CH375成功完成端點0的SETUP 事務后，CH375將自動設(shè)置端點0 的接收器和發(fā)送器的同步觸發(fā)標志為1，然后才以中斷方式通知外部單片機讀取SETUP 數(shù)據(jù)并處理。當CH375成功完成端點0的OUT事務后，CH375將自動觸發(fā)端點0的接收器的同步觸發(fā)標志，由0 觸發(fā)為1，由1 觸發(fā)為0。當CH375 成功完成端點0的IN事務后，CH375將自動觸發(fā)端點0 的發(fā)送器的同步觸發(fā)標志，由0觸發(fā)為1，由1 觸發(fā)為0。對于控制讀操作，由于CH375完成SETUP 事務后自動設(shè)置同步觸發(fā)標志為1，所以默認情況下CH375發(fā)送的第一組數(shù)據(jù)是DATA1，接著是DATA0，然后是DATA1，以此類推。一般情況下，外部單片機只需要準備好數(shù)據(jù)并發(fā)送，不必考慮同步觸發(fā)標志。由于CH375在完成端點0的OUT事務時不分析同步觸發(fā)標志，不管數(shù)據(jù)是否同步都會以中斷方式通知外部單片機，所以對于控制寫操作，單片機可以通過GET_TOGGLE 命令確定當前OUT 事務是否同步再作處理。SET_ENDP2命令對SETUP的事務響應方式?jīng)]有影響。如果沒有釋放USB緩沖區(qū)，則端點0 的接收器對SETUP 事務返回NAK，如果已經(jīng)釋放USB 緩沖區(qū)，那么返回ACK。如果在SET_ENDP3 命令之后執(zhí)行WR_USB_DATA3 命令，那么端點0 的發(fā)送器自動將事務響應方式設(shè)置為對IN 事務返回DATA，數(shù)據(jù)長度根據(jù)WR_USB_DATA3 命令確定。如果在WR_USB_DATA3 命令之后執(zhí)行SET_ENDP3 命令，那么端點0 的發(fā)送器將保持數(shù)據(jù)不變，但是按SET_ENDP3命令設(shè)定的事務響應方式處理事務，如果設(shè)定的事務響應方式為對IN返回DATA，那么發(fā)送長度將由SET_ENDP3 命令重新確定。5.1.2 端點1端點1的接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)各是8個字節(jié)。當CH375成功完成端點1的OUT事務后，CH375將自動觸發(fā)端點1的接收器的同步觸發(fā)標志，由0 觸發(fā)為1，由1觸發(fā)為0。當CH375成功完成端點1的IN事務后，CH375將自動觸發(fā)端點1的發(fā)送器的同步觸發(fā)標志，由0觸發(fā)為1，由1 觸發(fā)為0。CH375在完成端點1的OUT 事務時自動分析同步觸發(fā)標志，如果數(shù)據(jù)不同步則不會以中斷方式通知外部單片機，外部單片機只會接收到數(shù)據(jù)同步的OUT 事務中斷。如果在SET_ENDP5 命令之后執(zhí)行WR_USB_DATA5 命令，那么端點1 的發(fā)送器自動將事務響應方式設(shè)置為對IN 事務返回DATA，數(shù)據(jù)長度根據(jù)WR_USB_DATA5 命令確定。如果在WR_USB_DATA5 命令之后執(zhí)行SET_ENDP5 命令，那么端點1 的發(fā)送器將保持數(shù)據(jù)不變，但是按SET_ENDP5命令設(shè)定的事務響應方式處理事務，如果設(shè)定的事務響應方式為對IN返回DATA，那么發(fā)送長度將由SET_ENDP5 命令重新確定。 5.1.3 端點2WR_USB_DATA命令，那么端點2 的發(fā)送器自動將事務響應方式設(shè)置為對IN 事務返回DATA，數(shù)據(jù)長度根據(jù)WR_USB_DATA命令確定。如果在WR_USB_DATA命令之后執(zhí)行SET_ENDP命令，那么端點2 的發(fā)送器將保持數(shù)據(jù)和長度不變，但是按SET_ENDP命令設(shè)定的事務響應方式處理事務。端點2 的接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)各是64 個字節(jié)。當CH375成功完成端點2的OUT事務后，CH375將自動觸發(fā)端點2的接收器的同步觸發(fā)標志，由0 觸發(fā)為1，由1 觸發(fā)為0。當CH375成功完成端點2的IN事務后，CH375將自動觸發(fā)端點2 的發(fā)送器的同步觸發(fā)標志，由0觸發(fā)為1，由1 觸發(fā)為0。CH375在完成端點2的OUT 事務時自動分析同步觸發(fā)標志，如果數(shù)據(jù)不同步則不會以中斷方式通知外部單片機，外部單片機只會接收到數(shù)據(jù)同步的OUT 事務中斷。如果在SET_ENDP7 命令之后執(zhí)行5.1.4 外部固件參考流程在CH375中提供了外部固件模式下的單片機源程序，下述流程供外部單片機處理USB標準設(shè)備請求時參考。 單片機啟動后，首先初始化CH375為使用外部固件的USB設(shè)備方式，然后設(shè)置中斷。 當單片機收到中斷后，使用GET_STATUS命令獲取中斷狀態(tài)，分析處理如下：（1）如果是端點2 或1的OUT成功，則使用RD_USB_DATA命令讀取數(shù)據(jù)再通知主程序處理。（2） 如果是端點2 或1的IN成功，則使用UNLOCK_USB命令釋放緩沖區(qū)再通知主程序繼續(xù)。（3）如果是端點0 的SETUP成功，則使用RD_USB_DATA命令讀取數(shù)據(jù)，分析處理如下： 如果是USB請求CLEAR_FEATURE，那么根據(jù)請求中的FEATURE以及端點號等分析處理，對于ENDPOINT_HALT，可以使用SET_ENDP 命令。 如果是USB請求GET_DESCRIPTOR，那么使用WR_USB_DATA3命令返回描述符5.2 USB芯片與單片機的接口電路CH375通過被動并行接口電路可以方便地掛接到89C51單片機的系統(tǒng)總線圖4 CH375的接口電路上，并且可以與多個外圍器件共存。并口信號線包括8位雙向數(shù)據(jù)總線D7-DO、讀選通輸入RD、寫選通輸入WR、片選輸入CS、中斷輸出INT及地址輸入線AO。CH375的RD和WR可以分別連接到單片機的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳。INT可以連接到單片機的中斷輸入引腳，中斷請求是低電平有效。當CS、RD及AO都為低電平時，CH375中的數(shù)據(jù)通過D7-DO輸出；當CS和WR以及AO都為低電平時，D7-DO上的數(shù)據(jù)被寫入CH375；當CS、WR都為低電平而A1為高電平時，D7-DO上的數(shù)據(jù)被作為命令碼寫入CH375。USB電路圖4在USB 電源供給線中串接保險電阻或者自恢復保險絲F1，一般500mA以下，最大1A。串聯(lián)電感L1 限制峰值電流，感抗在47uH到200uH之間，直流電阻應該不超過3 歐姆，盡量小些。在USB 插座的電源上并聯(lián)獨立的儲能電容C16緩解電壓瞬時下降。在USB信號線D+和D-上串接共扼電感T1，減少信號干擾，在一些計算機的主板中可以見到。U13為P 監(jiān)控電路，為單片機和CH37X 提供可靠的上電復位。U12為ESD 保護器件/瞬變電壓抑制器件，內(nèi)部一般為高速二極管陣列，在頻繁帶電插拔USB 設(shè)備的應用中和靜電較強的環(huán)境下，建議使用此類器件保護CH37X的USB信號引腳，型號為CH412Z 或者CH412A 或者NUP4301MR6T1（引腳不同）等，注意不能選用內(nèi)有電阻的器件。CH412 能夠承受15KV的HBM 人體模型ESD沖擊，具體設(shè)計可參考CH412 芯片手冊。如果不外加任何專用ESD保護器件，CH37X也能夠承受4KV左右的HBM 沖擊，CH374 能夠承受8KV 左右的HBM 沖擊。電容C14 用于CH37X 電源退耦，實際電路還應該在U13 附近連接0.1uF 退耦電容。該圖適用于5V 電源電壓，如果VCC 為3.3V，那么應該將CH375 的9 腳與28 腳短路。圖中X1 是頻率為12MHz 的石英晶體，需要兩個振蕩電容C11 和C12，也可以用12MHz 有源晶振。5.3 USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計USB系統(tǒng)驅(qū)動程序的設(shè)計是基于WDM(Windows driver model 驅(qū)動程序模型)。WDM采用分層驅(qū)動程序模型，分為較高級的USB設(shè)備驅(qū)動程序和較低級的USB函數(shù)層。其中USB函數(shù)層由兩部分組成：較高級的通用串行總線模塊(USBD)和較低級的主控制器驅(qū)動程序模塊(HCD) 11。在上述USB分層模塊中，USB函數(shù)層由Windows98提供，負責管理USB設(shè)備驅(qū)動程序和USB控制器之間的通信，加載及卸載USB驅(qū)動程序，與USB設(shè)備通用端點(endpoint)建立通信來執(zhí)行設(shè)備配置、數(shù)據(jù)與USB協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務。 目前Windows98提供了多種 USB設(shè)備驅(qū)動程序，但并不針對數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此需用DDK開發(fā)工具設(shè)計專用的USB設(shè)備驅(qū)動程序。在本設(shè)計中由四個模塊實現(xiàn)：初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊以及I/O功能實現(xiàn)模塊12。 初始化模塊提供一個入口函數(shù)DriverEntry()，所有對各種IRP(I/O Request Packet,IRP請求包)的處理例程都在此入口函數(shù)中做出定義。即插即用管理模塊實現(xiàn)USB設(shè)備的熱拔插及動態(tài)配置。當硬件檢測到USB設(shè)備接入時，Windows98查找響應的驅(qū)動程序，并調(diào)用它的DriverEntry例程，PnP(即插即用)管理器調(diào)用驅(qū)動程序的AddDevice例程，告訴它添加了一個設(shè)備；在此處理過程中，驅(qū)動程序收到一個設(shè)備啟動請求(IRP_MN_START_DEVICE)的IRP。同理，當要拔除時，PnP管理器會發(fā)出一個設(shè)備刪除請求(IRP_MN_REMOVE_DEVICE)的IRP，由驅(qū)動程序進行處理。通過對這些PnP請求的處理，可支持設(shè)備的熱插拔和即插即用功能。電源管理模塊負責設(shè)備的掛起與喚醒。I/O功能實現(xiàn)模塊完成I/O請求的大部分工作。若應用程序想對設(shè)備進行I/O操作，它便使用Windows API函數(shù),對WIN32子系統(tǒng)進行WIN32調(diào)用。此調(diào)用由I/O系統(tǒng)服務接收并通知I/O管理器，I/O管理器將此請求構(gòu)造成一個合適的I/O請求包(IRP)并把它傳遞給USB設(shè)備驅(qū)動程序，USB設(shè)備驅(qū)動程序接收到這個IRP以后，根據(jù)IRP中包含的具體操作代碼，構(gòu)造相應的USB請求塊并把此URB(USB請求塊)放到一個新的IRP中，然后把此IRP傳遞到USB總線驅(qū)動程序，USB總線驅(qū)動程序根據(jù)IRP中所含的URB執(zhí)行相應的操作(如從USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)等)，并把操作結(jié)果通過IRP返還給USB設(shè)備驅(qū)動程序。USB設(shè)備驅(qū)動程序接收到此IRP后，將操作結(jié)果通過IRP返還給I/O管理器，最后I/O管理器將此IRP中操作結(jié)果返還給應用程序，至此應用程序?qū)SB設(shè)備的一次I/O操作完成。6 應用程序設(shè)計用戶態(tài)的應用程序是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心,其主要功能為：開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道、設(shè)置A/D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實時從USB接口采集數(shù)據(jù)、并分析數(shù)據(jù)11。應用程序主流程圖如圖5所示。由于HC375提供的FIFO不超過64字節(jié),當它存滿后,HC375自動將數(shù)據(jù)打包即時請求讀入數(shù)據(jù),由SIE自動發(fā)送數(shù)據(jù)包。另外,當系統(tǒng)啟動A/D模塊后,便會創(chuàng)建兩個線程：采樣線程和存盤線程。采樣線程負責將采集據(jù)寫到應用程序提交的內(nèi)存;而存盤線程負責給應用程序發(fā)送存盤消息。當應用程序接收到此消息后,便從它提交的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并存盤。此處需要注意的是采樣線程和存盤線程在讀寫應用程序提交的內(nèi)存時要保持同步。首先是要啟動USB設(shè)備，啟動USB設(shè)備成后功檢測USB設(shè)備。檢測USB成功后設(shè)置設(shè)備參數(shù)，設(shè)置USB參數(shù)成功后啟動A/D模塊。啟動A/D模塊后等待數(shù)據(jù)請求上傳數(shù)據(jù)。上傳成功請求后看是否獲得了有效的數(shù)據(jù)，如果沒有獲得有效數(shù)據(jù)就看下組數(shù)據(jù)有沒有準備就緒。如果下組數(shù)據(jù)已經(jīng)準備就緒，就回到請求上傳數(shù)據(jù)。如果獲得了有效的數(shù)據(jù)，就把獲得的有效數(shù)據(jù)存儲。存儲后就等待下組數(shù)據(jù)準備就緒。如果下組數(shù)據(jù)已經(jīng)準備就緒再回到請求上傳數(shù)據(jù)如此循環(huán)上傳數(shù)據(jù)。啟動USB設(shè)備設(shè)置設(shè)備參數(shù)啟動A/D模塊請求上傳數(shù)據(jù)包存儲延遲至下數(shù)據(jù)包就緒Y 檢測USB設(shè)備獲得有效數(shù)據(jù)？報告數(shù)據(jù)丟失NNY下組數(shù)據(jù)準備就緒？ 圖5 應用程序主流程7 設(shè)備固件設(shè)計此處固件是指固化到89C51E2PROM中的程序，其主要功能是: (1)控制A/D轉(zhuǎn)換器的采樣。(2)控制芯片CH375接受并處理USB驅(qū)動程序的請求及應用程序的控制指令?，F(xiàn)主要介紹89C51USBCH375接受并處理USB驅(qū)動程序的請求及應用程序的控制指令。現(xiàn)主要介紹89C51系統(tǒng)如何控制USB控制器(USBCH375)與主機的通信12。89C51系統(tǒng)對USB控制器的操作是嚴格按照USB協(xié)議1.1進行的，按照USB協(xié)議1.1的規(guī)定，USB傳輸方式分為4種：控制傳輸，塊傳輸，同步傳輸和中斷傳輸。在實際開發(fā)中使用了控制傳輸和塊傳輸?？刂苽鬏斨饕脕硗瓿芍鳈C對設(shè)備的各種控制操作，也就是用來實現(xiàn)位于主機上的USB總線驅(qū)動程序(USBD.SYS)以及編寫的功能驅(qū)動程序?qū)υO(shè)備的各種控制操作。塊傳輸主要用來完成主機和設(shè)備間的大批量數(shù)據(jù)傳輸以及對傳輸數(shù)據(jù)進行錯誤檢測(若發(fā)生錯誤,它支持“重傳”功能)。89C51系統(tǒng)控制USB控制器的工作過程可以簡單地概括為：當USB控制器從USB總線檢測到主機啟動的某一傳輸請求后，通過中斷方式將此請求通知89C51系統(tǒng)，89C51系統(tǒng)通過訪問USB控制器的狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器獲得與此次傳輸有關(guān)的各種參數(shù)，并根據(jù)具體的傳輸參數(shù)，對USB控制器的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進行相應的操作，以完成主機的傳輸請求。8 遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計傳輸距離是限制USB在工業(yè)現(xiàn)場應用的一個障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過幾十米，這對工業(yè)現(xiàn)場而言顯然太短了?，F(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場有大量采用RS-485傳輸數(shù)據(jù)的采集設(shè)備，其優(yōu)點主要為傳輸距離可達到1200米以上，并且可以掛接多個設(shè)備，但傳輸速度慢，且需要板卡支持，安裝麻煩。但將RS-485與USB結(jié)合起來就可以優(yōu)勢互補，產(chǎn)生一種快速、可靠、低成本的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。設(shè)計這樣一個系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是RS-485USB轉(zhuǎn)換器?？梢圆捎肅H375+89C51+ MAX485實現(xiàn)這一功能，整個系統(tǒng)的基本思想是：將傳感器采集到的模擬量數(shù)字化以后，利用RS-485協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳，上述RS-485USB轉(zhuǎn)換器在主機端接收485的數(shù)據(jù)并通過USB接口傳輸至主機進行處理，而主機向USB發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)通過RS-485USB轉(zhuǎn)換口轉(zhuǎn)換為485協(xié)議向遠端輸送，從而能夠?qū)崿F(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的雙向傳輸。由于RS-485通信是一種半雙工通信，發(fā)送和接收共用同一物理信道。在任意時刻只允許一臺單機處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應答的單機必須在監(jiān)聽到總線上呼叫信號已經(jīng)發(fā)送完畢，并且沒有其它單機發(fā)出應答信號的情況下才能應答。半雙工通信對主機和從機的發(fā)送和接收時序有嚴格的要求。如果在時序上配合不好，就會發(fā)生總線沖突，使整個系統(tǒng)的通信癱瘓，無法正常工作。要做到總線上的設(shè)備在時序上的嚴格配合，必須要遵從以下幾項原則。（1）復位時，主從機都應該處于接收狀態(tài) RE和DE端相連為低電平時從機處于接收狀態(tài)，在上電復位時，由于硬件電路穩(wěn)定需要一定的時間并且單片機各端口復位后處于高電平狀態(tài)，這樣就會使總線上各個分機處于發(fā)送狀態(tài)，同時上電時各電路的不穩(wěn)定，可能向總線發(fā)送信息。因此，如果用一根口線作發(fā)送和接收控制信號，應該將口線反向后接入 MAX485的控制端，使上電時 MAX485處于接收狀態(tài)。(2) 制端RE，E的信號要求在 RS-232、S-422等全雙工通訊過程中,發(fā)送和接收信號分別在不同的物理鏈路上傳輸，發(fā)送端始終為發(fā)送端，接收端始終為接收端，不存在發(fā)送、接收控制信號切換問題。在 RS-485半雙工通信中，由于MAX485的發(fā)送和接收都由同一器件完成，并且發(fā)送和接收使用同一物理鏈路，必須對控制信號進行切換?？刂菩盘柡螘r為高電平，何時為低電平一般以單片機的TI，RI信號作參考。發(fā)送時，檢測TI是否建立起來，當TI為高電平后關(guān)閉發(fā)送功能轉(zhuǎn)為接收功能；接收時，檢測RI是否建立起來，當RI為高電平接收完畢轉(zhuǎn)為發(fā)送功能。(3)發(fā)送控制信號在時序上的要求總線上所連接的各單機的發(fā)送控制信號在時序上完全隔開。了保證發(fā)送和接收信號的完整和正確，免總線上信號的碰撞，總線的使用權(quán)必須進行分配才能避免競爭，接到總線上的單機，發(fā)送控制信號在時間上要完全隔離?？傊?，送和接收控制信號應該足夠?qū)挘ＷC完整地接收一幀數(shù)據(jù)，意兩個單機的發(fā)送控制信號在時間上完全分開，免總線爭端。9 結(jié)束語基于USB外設(shè)的應用目前在國內(nèi)外處于高速發(fā)展階段，利用USB進行數(shù)據(jù)采集在工業(yè)控制已得到成功應用，特別是隨著USB協(xié)議2.0的推出，數(shù)據(jù)傳輸速率高達480Mbps，如此高的傳輸速率必將使USB在數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢更加體現(xiàn)出來，同時會使其在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應用。致謝在本次畢業(yè)設(shè)計過程當中，指導老師以及同學們都給予了很大的幫助支持，指導老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和務實的求知精神給我留下了很深的印象，他們鼓勵我孜孜不倦，銳意進取，特別是在困難的時候，她有意識地培養(yǎng)我獨立思考和解決問題的能力。俗話說“嚴師出高徒”，相信指導老師的嚴格要求，令我以后的工作和生活當中受益匪淺。在此，對他們所給予的指導和幫助表示最衷心的感謝。參考文獻1李朝青.單片機原理及接口技術(shù)M.北京：北京航空航天大學出版社，20052張念淮,江浩.USB總線接口開發(fā)指南M.北京：國防工業(yè)出版社，20023李朝青.PC機及單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)M.北京：北京航空航天出版社，20004徐大成,鄒麗新,丁建強.微型計算機控制技術(shù)及應用M.北京：高等教育出版社，2003 5胡大可,方路平.基于單片機8051的嵌入式開發(fā)指南M.北京：電子工業(yè)出版社， 20036康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：高等教育出版社，20027張凱.MCS-51單片機綜合系統(tǒng)及其設(shè)計開發(fā)M.北京：科學出版社，19968馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)M.西安：西安交通大學出版社，20059何立民.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用M.北京：北京航空航天大學出版社，200310戴佳,苗龍,陳斌.51單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型事例J.北京：中國電力出版社，2005，8(5)：495211張弘.USB接口設(shè)計M. 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Portal 99SE原理圖設(shè)計者必讀J.北京：冶金工業(yè)出版，2000，19(8)：636515劉迎春,葉湘濱.現(xiàn)代新型傳感器原理與應用J.北京：國防工業(yè)出版社，1998，14(6)：8992 16Zang Tianhua.PCA82C250 CAN controller interface Data SheetJ.Philips Semiconductor Corporation,1997 , 2002,28(3):249252(in Chinese)17馬忠梅.單片機的c語言應用程序設(shè)計M北京：北京航空航天大學出版社，200318曾祥富.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高教出版社，199819王卓人.IC卡的技術(shù)與應用J.北京：電子工業(yè)出版社，1999，36(3)：242520李正軍.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應用系統(tǒng)設(shè)計北京M.北京：人民郵電出版社，200621樹江模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：機械工業(yè)出版社，2004附錄一 整體電路圖附錄二 CH375芯片管腳引腳號引腳名稱類型引腳說明28VCC電源正電源輸入端，一、需要0.1uF電源退耦電容12，23GND電源公共接地端，需要連接USB總線的地址9V3電源在3.3V電源電壓時連接VCC輸入外部電源，在5V電源點啊是外接容量0.01uF退耦電容13X1輸入晶體振蕩的輸入端，需要外接晶振及振蕩電容14X0輸出晶體振蕩的反相輸出端，需要外接晶振及振蕩電容10UD+雙向三態(tài)USB總線的D+數(shù)據(jù)線，內(nèi)置可控的上拉電阻11UD-雙向三態(tài)USB總線的數(shù)據(jù)D-數(shù)據(jù)線22-15D7-D0雙向三態(tài)8位雙向數(shù)據(jù)總線，內(nèi)置上拉電阻4RD#輸入讀選通輸入，低電平有效，內(nèi)置上拉電阻3WR#輸入寫選通輸入，低電平有效，內(nèi)置上拉電阻27CS#輸入片選控制輸入，低電平有效，內(nèi)置上拉電阻1INT#輸出中斷輸出端，低電平有效8A0輸入地址線輸入，區(qū)分命令口和數(shù)據(jù)口，內(nèi)置上拉電阻A0=1時可以寫命令A1=0時可以寫數(shù)據(jù)24ACT#輸出在內(nèi)置固件的USB設(shè)備方式下是USB設(shè)備配置完成狀態(tài)輸出，低電平有效。在USB主機方式下是USB設(shè)備連接狀態(tài)輸出，低電平有效。5TXD輸入輸出僅用于主機方式，設(shè)備只支持并口，在復位期間為輸入引腳，內(nèi)置上拉電阻，如果在復位幾件輸入低電平那么能并口，否則使能串口，復位完成后為串行數(shù)據(jù)輸出。6RXD輸入串行數(shù)據(jù)輸入，內(nèi)置上拉電阻2RSTI輸入外部復位輸入，高電平有效，內(nèi)置下拉電阻25RST輸出電源上點復位和外部復位輸出，高電平有效26RST#輸出電源上點復位和外部復位輸出，低電平有效7NC空腳懸空附錄三 程序清單/*USB 1.1 Slaver for CH375*單片機用89C51*/#include #include REG51.H#include CH375INC.H#define DELAY_START_value 1/* 根據(jù)單片機的時鐘選擇延時初值 */#define MY_USB_VENDOR_ID 0x4348 /* 廠商ID */#define MY_USB_DEVICE_ID 0x5537 /* 設(shè)備ID */unsigned char RECV_LEN;/* 剛接收到的數(shù)據(jù)的長度 */unsigned char idata RECV_BUFFER CH375_MAX_DATA_LEN ;/* 數(shù)據(jù)緩沖區(qū),用于保存接收到的下傳數(shù)據(jù),長度為0到64字節(jié) */unsigned char idata *cmd_buf;unsigned char idata *ret_buf;typedef union _REQUEST_PACKunsigned charbuffer8;structunsigned charbmReuestType;/標準請求字unsigned charbRequest;/請求代碼unsigned intwvalue; /特性選擇高unsigned intwIndx; /索引unsigned intwLength; /數(shù)據(jù)長度r; mREQUEST_PACKET, *mpREQUEST_PACKET;/設(shè)備描述符unsigned charcode DevDes=0x12 /描述符大小,0x01 /常數(shù)DEVICE,0x10 /USB規(guī)范版本信息,0x01,0x00 /類別碼，,0x00 /子類別碼,0x37 /協(xié)議碼,0x08 /端點0的最大信息包大小,0x48 /廠商ID,0x43,0x37 /產(chǎn)品ID,0x55,0x00 /設(shè)備版本信息,0x01,0x00 /索引值,0x00,0x00,0x01 /可能配置的數(shù)目,0x00 /無意義,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/配置描述符unsigned charcode ConDes= /配置描述符0x09 /描述符大小,0x02 /常數(shù)CONFIG,0x27 /此配置傳回所有數(shù)據(jù)大小,0x00 /,0x01 /接口數(shù),0x01 /配置值,0x00 /索引,0x80 /電源設(shè)置,0x40 /需要總線電源/接口描述符,0x09 /描述符大小,0x04 /常數(shù)INTERFACE,0x00 /識別碼,0x00 /代替數(shù)值,0x03 /支持的端點數(shù),0x08 /類別碼,0x08 /子類別碼,0x37 /協(xié)議碼,0x00 /索引/端點描述符,0x07 /描述符大小,0x05 /常數(shù)ENDPOINT,0x82 /端點數(shù)目及方向,0x02 /支持的傳輸類型,0x40 /支持的最大信息包大小