基于USB接口的溫度傳感器設(shè)計(jì)方案.doc

基于USB接口的溫度傳感器設(shè)計(jì)方案第1章 緒論1.1 設(shè)計(jì)理念與背景 基于USB接口的溫度傳感器，就是利用USB接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)技術(shù)的溫度傳感器與PC機(jī)之間通信的溫度采集系統(tǒng)，以提高溫度采集的準(zhǔn)確度于精度。實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、告訴的溫度數(shù)據(jù)采集和傳輸。在工業(yè)生產(chǎn)、科研及醫(yī)療等需要嚴(yán)格進(jìn)行溫度控制的行業(yè)中，常常利用PC機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控和處理，這就需要一種精度和自動(dòng)化水平高、應(yīng)用范圍廣的溫度采集手段，這就為基于單片機(jī)技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)得到了普遍應(yīng)用。這種溫度采集系統(tǒng)可以根據(jù)主機(jī)命令通過傳感器采集溫度信號(hào)，并通過放大轉(zhuǎn)換后經(jīng)通訊接口上傳至主機(jī)，以進(jìn)一步的顯示、分析和處理。溫度采集系統(tǒng)由溫度采集模塊和主機(jī)系統(tǒng)組成，之間通過總線接口進(jìn)行通信。溫度采集模塊是以單片機(jī)及溫度傳感器為核心構(gòu)成的智能系統(tǒng)，具有完整的 信號(hào)采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換、變換數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)及執(zhí)行上位機(jī)命令等功能。主機(jī)系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度采集模塊的控制，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的讀取，同時(shí)提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的顯示、分析和處理等功能。而要實(shí)現(xiàn)主機(jī)系統(tǒng)的功能，則需要通過總線接口將對(duì)溫度采集模塊所采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)系統(tǒng)來完成。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)溫度數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，傳輸速度、糾錯(cuò)能力和操作安裝的簡(jiǎn)易性是人們?cè)谑褂脺囟炔杉到y(tǒng)的過程中關(guān)注的目標(biāo)，而數(shù)據(jù)通信技術(shù)則成為其中的關(guān)鍵技術(shù)。任何一種數(shù)據(jù)通訊技術(shù)都離不開接口，溫度采集系統(tǒng)采用何種接口進(jìn)行通信是影響系統(tǒng)整體效率的重要因素之一。1.2 目前常用的總線接口（1）PCI PCI總線是Intel公司為Pentium處理器設(shè)計(jì)的一種新型標(biāo)準(zhǔn)總線，這種總線技術(shù)允許快速的內(nèi)存，磁盤和視頻訪問。PCI總線結(jié)構(gòu)的高傳輸速度限制了PCI接口的數(shù)量，一般只能有兩到三個(gè)（通常用于圖形和硬盤控制器）。最大傳輸速度為264Mbps（只能在基于Pentium處理器的系統(tǒng)中使用64位軟件才能達(dá)到）。1.3 USB2 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第4頁 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第31頁USB,Universal Serial Bus（通用串行總線），是一種新規(guī)格的快速、靈活的總線，是PC機(jī)和MAC記都支持的總線標(biāo)準(zhǔn)。在傳統(tǒng)的個(gè)人電腦領(lǐng)域中，外圍設(shè)備存在著許多問題，不管是ISA總線還是PCI總線，I/O地址沖突十分常見，都不能可靠地支持共享式中斷。同時(shí)，這些大多數(shù)都是不可以隨意插拔的，必須在開機(jī)前裝好才能正常使用。事實(shí)上，這種接口使設(shè)備的連接毫無靈活性可言。USB正是作為克服這些困難的一種解決方案而出現(xiàn)的。USB的主要特點(diǎn)如下：（1）速度快。USB有全速和低速兩種方式，主模式為全速模式，速率為12Mbps，還提供低速方式，速率為1.5Mbps。新推出的USB2.0協(xié)議提供最高達(dá)480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)。（2）支持熱插拔和即插即用。所有的USB設(shè)備可以隨時(shí)的插入和拔離系統(tǒng)，USB主機(jī)能夠動(dòng)態(tài)的識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)，并自動(dòng)給接入的設(shè)備分配地址和配置參數(shù)，添加、刪除設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)，不必像過去那樣需要手動(dòng)跳線和撥碼開關(guān)來設(shè)置新的外設(shè)。（3）易于擴(kuò)展。如圖1所示。USB使用的是一種易于擴(kuò)展的級(jí)聯(lián)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過使用USB Hub(USB集成器)擴(kuò)展可連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長度為3米（低速為5米）。通過Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30米，可以使用多種連接方式進(jìn)行擴(kuò)展。復(fù)合設(shè)備主機(jī)根HUB設(shè)備設(shè)備HUBHUB設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備圖2.1 USB總線物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（4）使用靈活。USB共有4種傳輸模式：控制傳輸（control）、同步傳輸（synchronization）、中斷傳輸（interrupt）、批量傳輸(bulk)，適應(yīng)不同設(shè)備的需要。在本系統(tǒng)中采用了控制傳輸和批量傳輸兩種方式。（5）能夠采用總線供電。普通使用串口、并口的設(shè)備都需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)，而USB設(shè)備則不需要，因?yàn)閁SB接口提供了內(nèi)置電源。USB電源能向低壓設(shè)備提供最大5V，500mA的電源，從而降低了這些設(shè)備的成本并提高了性價(jià)比。（6）實(shí)現(xiàn)成本低。USB對(duì)系統(tǒng)與PC的集成進(jìn)行了優(yōu)化，適合于開發(fā)低成本的外設(shè)。1.4 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)與獨(dú)立的機(jī)箱設(shè)備通過串口或 GPIB 接口與計(jì)算機(jī)連接組成。隨著基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以通過PCI、ISA 或 PXI 連接到 PC 的數(shù)據(jù)總線。在 USB1.1 推出之前，支持 USB的功能模塊并不多，原因除了因?yàn)閭鹘y(tǒng)的通信接口，如RS232, IEEE488等，一時(shí)難以退出應(yīng)用領(lǐng)域外， 一些早期USB應(yīng)用者因?yàn)槠脚_(tái)的實(shí)用性不強(qiáng)而步履艱難。 隨著 Windows98 對(duì) USB驅(qū)動(dòng)軟件(USBD)完善， 使其可提供對(duì) USB的強(qiáng)有力的支持，對(duì) USB 技術(shù)的發(fā)展起到重要推進(jìn)作用。自此，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出大批的 USB產(chǎn)品。在 1999 年初，在Intel開發(fā)者論壇大會(huì)上，與會(huì)者介紹了USB2.0規(guī)范，該規(guī)范的支持者除原有的成員外，又增加HP, Lucent 和PHILIPS 三個(gè)新成員。USB2.0 對(duì) USB1.1 所規(guī)定的性能有所擴(kuò)展，又向下兼容，數(shù)據(jù)的傳輸率將達(dá)到480Mbps?，F(xiàn)在，越來越多的測(cè)量系統(tǒng)包含有通過USB總線連接的測(cè)量設(shè)備。2004 年 5 月，NI 公司發(fā)起了一波“傳感器即插即用”(Sensors Plug&Play)行動(dòng)，在針對(duì)靈巧的 TEDS (Transducer Electronic Data Sheet，傳感器電子數(shù)據(jù)表) 傳感器的IEEE 1451.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上推出了一系列數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。通過采用傳感器即插即用技術(shù)和新的USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備， 工程師和科學(xué)家們可以創(chuàng)建一個(gè)從傳感器到軟件的完整的即插即用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?，F(xiàn)在有許多廠商提供經(jīng)過預(yù)先測(cè)試可以無縫地與傳感器即插即用硬件共同工作的傳感器，開發(fā)人員可以使用NI LabVIEW、Microsoft Visual Basic和C來開發(fā)軟件應(yīng)用，以迅速、方便地進(jìn)行測(cè)量。隨著 USB 數(shù)據(jù)采集設(shè)備繼續(xù)減小體積和降低功耗， 它們也變得更加便攜和經(jīng)濟(jì)。通過兼容傳感器即插即用特性和多種擴(kuò)展技術(shù)，NI 公司 USB 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的功能更超越了它們自己本身。2006 年 VDC 公司一份關(guān)于數(shù)據(jù)采集發(fā)展趨勢(shì)的研究表明，幾乎半數(shù)受訪者計(jì)劃購買一件 USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備。隨著USB On-The-Go 和無線 USB等新技術(shù)的出現(xiàn)， 未來 USB在測(cè)量和自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用必定無可限量。1.5 課題的目標(biāo)及意義 基于 USB 接口的溫度采集系統(tǒng)，不僅僅是將 USB 接口用來傳輸數(shù)據(jù)，它需要依據(jù) USB協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換； 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?；?qū)動(dòng)程序要實(shí)現(xiàn)與 Windows 系統(tǒng)底層核心機(jī)制相交互的功能。因此，研究 USB 接口技術(shù)的內(nèi)核原理，掌握系統(tǒng)設(shè)備端 USB 接口設(shè)計(jì)和固件編程方法，及主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的開發(fā)技術(shù)就成其關(guān)鍵。 本課題以研究基于 USB接口溫度采集系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用為主要目的， 在深入分析研究 USB 協(xié)議和設(shè)備構(gòu)架的基礎(chǔ)上，對(duì)基于 USB 接口的溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件編程。使溫度采集模塊采集來的數(shù)據(jù)通過 USB 接口傳送到主機(jī)系統(tǒng)，使客戶應(yīng)用程序通過驅(qū)動(dòng)程序得到數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。意義在于深入研究USB接口技術(shù)的內(nèi)核，掌握溫度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、固件程序、驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序的開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，積累設(shè)備開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，為今后溫度采集系統(tǒng)更好地應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。第2章 硬件設(shè)計(jì)2.1 基于USB接口的溫度傳感器的工作原理2.1.1 工作原理圖圖2.2 基于USB接口的溫度傳感器2.1.2 工作原理首先由DS18B20單總線溫度傳感器采集溫度，通過單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序?qū)囟刃盘?hào)送入PDIUSBD12芯片及外圍設(shè)備，再由USB接口與PC機(jī)進(jìn)行通信，并在PC機(jī)上顯示溫度。系統(tǒng)總體框架由4 部分構(gòu)成：溫度采集器、USB接口、上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)應(yīng)用程序。溫度采集器是一個(gè)智能單片機(jī)系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)，并把從上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸命令從USB接口接收后解析執(zhí)行，再把數(shù)據(jù)值打包后通過 USB 接口發(fā)送到上位機(jī)等；USB接口負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 USB 協(xié)議要求的格式來傳輸；驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)在上位機(jī)應(yīng)用程序和溫度采集器專用代碼之間的轉(zhuǎn)換，把應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送到溫度采集器，并把溫度采集器傳來的數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用程序；應(yīng)用程序負(fù)責(zé)把用戶的操作命令通知給驅(qū)動(dòng)程序，并把溫度采集器送來的溫度數(shù)據(jù)通過驅(qū)動(dòng)程序的轉(zhuǎn)換顯示給用戶。我將在下面幾節(jié)中介紹各硬件部分的功能。2.2 溫度采集部分DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。 2.2.1 DS18B20數(shù)字溫度傳感器的外形及引腳說明SOIC封裝的DS18B20的引腳排列見圖3，其引腳功能描述見表1。圖2.3 TO-92封裝和SOIC封裝的DS18B20的引腳排列DS18B20采用3腳TO-92封裝或8腳SOIC封裝。圖3是其采用3腳TO-92封裝的底視圖及8腳SOIC封裝的引腳排列圖。其中GND接地；VDD為電源端；DQ是數(shù)據(jù)輸入/輸出端；其余為空腳。 序號(hào)名稱引腳功能描述123GNDDQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳VDD地信號(hào)開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用在寄生電源下，也可以向器件提供電源。可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)此引腳必須接地。2.2.2.DS18B20的性能及特點(diǎn)由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量 及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，而且兼具如下幾個(gè)性能：適應(yīng)電壓范圍3.05.5 V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。獨(dú)特的單線接口方式，DS8B20在與微處理器連接時(shí)，僅需要一根口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。DS8B20在使用中，不需要任何外圍元件，全部傳感原件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只晶體管的集成電路內(nèi)。測(cè)溫范圍：-55125，在-10+85時(shí)精度為0.5?？删幊痰姆直媛蕿?12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.50.250.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。在9位分辨率時(shí)，最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；12位分辨率時(shí)，最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作2.2.3 DS18B20工作過程及時(shí)序數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率對(duì)溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器2提供一個(gè)頻率隨溫度變化的計(jì)數(shù)脈沖。初始時(shí)，溫度寄存器被預(yù)置成-55，每當(dāng)計(jì)數(shù)器1從預(yù)置數(shù)開始減計(jì)數(shù)到0時(shí)，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1，這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行，直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)便停止。初始時(shí)，計(jì)數(shù)器1預(yù)置的是與-55相對(duì)應(yīng)的一個(gè)預(yù)置值。以后計(jì)數(shù)器1每一個(gè)循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計(jì)數(shù)器1的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值增加1計(jì)數(shù)器所需要的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。DS18B20內(nèi)部的比較器以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計(jì)數(shù)器2停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器1中的計(jì)數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與0.25進(jìn)行比較，若低于0.25，溫度寄存器的最低位就置0；若高于0.25，最低位就置1；若高于0.75時(shí)，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位然后置0。這樣，經(jīng)過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最后位代表0.5，四舍五入最大量化誤差為1/2LSB，即0.25。溫度寄存器中的溫度值以9位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號(hào)位，其余8位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測(cè)溫結(jié)束時(shí)，這9位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存存儲(chǔ)器的前兩個(gè)字節(jié)中，符號(hào)位占用第一字節(jié)，8位溫度數(shù)據(jù)占據(jù)第二字節(jié)。1 初始化單總線上的所有處理均從初始化序列開始。初始化序列包括總線主機(jī)發(fā)出一復(fù)位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器知道DS1820 在總線上且已準(zhǔn)備好操作。2ROM操作命令一旦總線主機(jī)檢測(cè)到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出器件ROM操作命令之一。所有ROM操作命令均為8位長。這些命令列表如下：Read ROM(讀ROM)33h此命令允許總線主機(jī)讀DS18B20的8位產(chǎn)品系列編碼，唯一的48位序列號(hào)，以及8位的CRC。此命令只能在總線上僅有一個(gè)DS18B20的情況下可以使用。如果總線上存在多于一個(gè)的從屬器件，那么當(dāng)所有從片企圖同時(shí)發(fā)送時(shí)將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象（漏極開路會(huì)產(chǎn)生線與的結(jié)果）。3存儲(chǔ)器操作命令 Write Scratchpad（寫暫存存儲(chǔ)器）4Eh這個(gè)命令向DS18B20的暫存器中寫入數(shù)據(jù)，開始位置在地址2。接下來寫入的兩個(gè)字節(jié)將被存到暫存器中的地址位置2和3?？梢栽谌魏螘r(shí)刻發(fā)出復(fù)位命令來中止寫入。Read Scratchpad（讀暫存存儲(chǔ)器）BEh這個(gè)命令讀取暫存器的內(nèi)容。讀取將從字節(jié)0開始，一直進(jìn)行下去，直到第9（字節(jié)8，CRC）字節(jié)讀完。如果不想讀完所有字節(jié)，控制器可以在任何時(shí)間發(fā)出復(fù)位命令來中止讀取。4處理數(shù)據(jù)高速暫存存儲(chǔ)器(RAM)由9個(gè)字節(jié)組成，包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得的是溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是溫度高限TH、溫度低限TL暫存區(qū)，第五個(gè)字節(jié)是配置寄存器暫存區(qū)，第6、7、8字節(jié)是系統(tǒng)保留所用，就相當(dāng)于DS18B20的運(yùn)算內(nèi)存，第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。其分配如表2所示。寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位(LS Byte)溫度值高位(MS Byte)高溫限值(TH)低溫限值(TL)配置寄存器保留保留保留CRC校驗(yàn)值0123456782.3 USB接口芯片部分要實(shí)現(xiàn) USB 設(shè)備與計(jì)算機(jī)接口，通常的做法有兩種：一是使用 USB 接口芯片通過微處理器，或是使用帶微處理器的USB接口芯片實(shí)現(xiàn)與 PC機(jī)的接口。二是將 USB core 做進(jìn)FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)與PC的接口。 目前，市場(chǎng)上供應(yīng)的 USB 控制器主要有兩種：一種是帶 USB接口的單片機(jī)，如 CYPRESS 的 EZ-USB 系列；另一種就是純粹的USB接口芯片，僅處理 USB 通信，如PHILIPS的 PDIUSBD12，National Semiconductor 的 USB N9604等。選擇帶USB接口的單片機(jī)的最大好處在于開發(fā)者對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集非常熟悉，開發(fā)工具簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是靈活性不夠高，開發(fā)工具與原來的單片機(jī)開發(fā)工具不兼容，開發(fā)成本較大。對(duì)于簡(jiǎn)單或低成本系統(tǒng)，其價(jià)格也是在實(shí)際選擇過程中需要考慮的因素。純粹的 USB 接口芯片僅處理 USB 通信，必須有一個(gè)外部微處理器來進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。典型產(chǎn)品有 Philips 公司的 PDIUSBD12（并行接口） 、ISP1581（USB2.0）, NS 公司的 USBN9603/ 9604（并行接口）, NetChip公司的 NET2888等。這種USB接口芯片的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高，系統(tǒng)組成靈活，可根據(jù)不同的系統(tǒng)需求，搭配不同的 MCU，具有較高的性能價(jià)格比。尤其適合于產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)（硬件上僅需對(duì)并行總線和中斷進(jìn)行改動(dòng)， 軟件則需要增加微處理器的USB中斷處理和數(shù)據(jù)交換程序、PC 機(jī)的 USB 接口通信程序，無需對(duì)原有產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作很大的改動(dòng)） 。但因?yàn)?USB 控制器是通過串行口或并行口與 MCU 連接，在傳輸速度方面不如集成了 MCU 的控制芯片。 2.3.1 PDIUSBD12 USB芯片簡(jiǎn)單介PDIUSBD12 是一款性價(jià)比很高的USB器件。它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DMA傳輸。這種實(shí)現(xiàn)USB接口的標(biāo)準(zhǔn)組件使得設(shè)計(jì)者可以在各種不同類型為控制其中選擇出最合適的微控制器，這種靈活性減小了開發(fā)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)以及費(fèi)用（通過使用已有的結(jié)構(gòu)和減少固件上的投資），從而用最快捷的方法實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)的解決方案。PDIUSBD12完全符合USB1.1版的規(guī)范。它還符合大多數(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理想地適用于許多外設(shè)，例如：打印機(jī)、掃描儀、外部的存儲(chǔ)設(shè)備（Zip驅(qū)動(dòng)器）和數(shù)碼相機(jī)等等。它使得當(dāng)前使用SCSI的系統(tǒng)可以立即降低成本。PDIUSBD12所具有的低掛起功耗連同LazyClock輸出可以滿足使用ACPI、OnNOW和USB電源管理的要求。低的操作功耗可以應(yīng)用于使用總線供電的外設(shè)。2.3.2 PDIUSBD12的引腳分布及其功能1PDIUSBD12的引腳分布圖2.4 PDSIUBD12引腳分布圖2PDIUSBD12的引腳功能表4PDSIUBD12引腳功能管腳符號(hào)類型功能描述1 DATAIO2 雙向數(shù)據(jù)位02 DATA IO2 雙向數(shù)據(jù)位13 DATA IO2 雙向數(shù)據(jù)位24 DATA IO2 雙向數(shù)據(jù)位35 GND P 地6 DATA IO2 雙向數(shù)據(jù)位47 DATA IO2 雙向數(shù)據(jù)位58 DATA IO2 雙向數(shù)據(jù)位69 DATA I02 雙向數(shù)據(jù)位710 ALE I地址鎖存功能。在多路地址/數(shù)據(jù)總線中，下降沿關(guān)閉地址信息鎖存。將其固定為低電平用于單地址/數(shù)據(jù)總線配置。11 CS_N I 片選（低有效）12 SUSPEND I,OD4 器件處于掛起狀態(tài)13 CLKOUT O2 可編程時(shí)鐘輸出14 INT_N OD4 中斷（低有效）15 RD_N I 讀選通（低有效）16 WR_N I 寫選通（低有效）17 DMREQ O4 DMA請(qǐng)求18 DMACK_N I DMA應(yīng)答（低有效）19 EOT_N IDMA傳輸結(jié)束（低有效），僅當(dāng)腳18和腳15或腳16一起激活時(shí)才有效。20 RESET_N I復(fù)位（低有效且不同步）片內(nèi)上電復(fù)位電路，可固定接VCC21GL_N OD8GoodLinkLED指示器（低有效）22XTAL1 I 晶振連接端1（6MHZ）23XTAL2 O晶振連接端2（6MHZ），如果采用外部時(shí)鐘信號(hào)取代晶振，可連接XTAL1，XTAL2應(yīng)當(dāng)懸空。24VCC P電源電壓（4.0-5.5V）,要使器件都工作在3.3v,對(duì)VCC和Vout3.3都提供3.3V電壓25D- A USBD-數(shù)據(jù)線26D+ A USBD+數(shù)據(jù)線27VOUT3.3 P 3.3V調(diào)整輸出28 A0 I地址位。A0=1選擇命令指令，A0=0選擇數(shù)據(jù)。該位在多路地址/數(shù)據(jù)總線配置時(shí)可忽略，應(yīng)將其接高電平。注： O2：2mA驅(qū)動(dòng)輸出 OD4：4mA驅(qū)動(dòng)開漏輸出 OD8：8mA驅(qū)動(dòng)開漏輸出 IO2：4mA輸出2.3.3PDIUSBD12外圍電路及其與AT89C52之間的連線圖1PDSIUBD12外圍電路圖2.5PDSIUBD12外圍電路2PDIUSBD12與AT89C52的連線圖圖2.6PDIUSBD12與AT89C52的連線圖PDIUSBD12采用SO28或TSSOP28封裝，在本設(shè)計(jì)中D12采用的是SO28封裝。第3章 上位機(jī)軟件編程 在設(shè)備硬件和單片機(jī)固件調(diào)試通過之后，主機(jī)就能夠正確識(shí)別設(shè)備了，但主機(jī)與USB設(shè)備的信息交互是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的。主機(jī)軟件開發(fā)在本系統(tǒng)中是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。USB主機(jī)系統(tǒng)軟件開發(fā)分為兩部分：主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是提供連接到計(jì)算機(jī)的硬件的軟件接口，它是操作系統(tǒng)的一個(gè)信任部分，通過在應(yīng)用層和固件專用代碼之間的轉(zhuǎn)換來完成它的任務(wù)。用戶應(yīng)用程序一般通過使用一套操作系統(tǒng)支持的函數(shù)的方式訪問硬件，而不必考慮如何控制硬完整的上位機(jī)程序代碼見附錄1。以下將介紹各部分程序的實(shí)現(xiàn)：3.1使用VisualStudio2005實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示3.1.1用VisualStudio2005創(chuàng)建溫度顯示窗體VisualStudio2005是一個(gè)程序開發(fā)平臺(tái)，先在電腦中新建一個(gè)文件夾，命名為“溫度顯示”，在打開VisualStudio2005，選擇創(chuàng)建項(xiàng)目，選擇的項(xiàng)目類型為Windows應(yīng)用程序，將名稱改為“TextTemperature”并將其存放在之前建立的文件夾內(nèi)，方便查找。然后進(jìn)入界面設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)溫度顯示窗體Form1。將Form1窗體拉伸至合適的大小，在界面的左側(cè)“工具箱”中選擇所需控件單擊就可將其放在Form1窗體的合適位置，右鍵單擊窗體中的控件可對(duì)其屬性進(jìn)行更改。在本設(shè)計(jì)中使用的控件有3個(gè)Label和兩個(gè)Button。其屬性設(shè)置如下表所示：表5各控件屬性表控件TextFontSizeLabel1溫度：宋體初號(hào)192,56Label20宋體初號(hào)192,56Label3宋體初號(hào)192,56Button1開始宋體9pt75,23Button2停止宋體9pt75,23在窗體設(shè)計(jì)界面中雙擊個(gè)控件可對(duì)其進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度采集的控制及顯示。窗體設(shè)計(jì)程序代碼見附錄A。3.1.2軟件編程思路本設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用VisualStudio2005這個(gè)程序開發(fā)平臺(tái)編輯程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)下位機(jī)采集到的溫度進(jìn)行顯示。如圖7所示的溫度顯示窗體，本設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的就是在此程序運(yùn)行過程中，單擊窗體的“開始”按鈕，開始采集并在Label2控件上顯示變化的溫度值，而單擊“停止”按鈕后，溫度值又歸零。因?yàn)樵谡麄€(gè)程序運(yùn)行過程中只要求用“開始”和“停止”按鈕來控制Label2控件所顯示的溫度值，所以我們只需對(duì)這三個(gè)控件進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所要完成的任務(wù)。3.2驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)包含了許多操作系統(tǒng)可調(diào)用例程的軟件容器，是保證用戶應(yīng)用程序軟件訪問設(shè)備硬件的程序軟件，它的任務(wù)是在應(yīng)用層和硬件控制代碼之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。在windows中，驅(qū)動(dòng)程序就是一個(gè)文件（*.Sys），它可以打開設(shè)備的一個(gè)句柄，然后應(yīng)用程序可以在設(shè)備句柄最后關(guān)閉之前向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出讀寫請(qǐng)求。微軟極力推崇WDM(windowsDriverModel）作為驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)模型，而且在win2000及其以后的系統(tǒng)中，不再支持其它類型的驅(qū)動(dòng)程序。因此本溫度采集系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序部分采用WDM模型開發(fā)。3.2.1WDM驅(qū)動(dòng)程序WDM驅(qū)動(dòng)程序是Windows2000操作系統(tǒng)重要的組成部分，它的正常工作需要有Windows2000其它內(nèi)核組件的支持，同時(shí)大部分的內(nèi)核組件也必須同WDM驅(qū)動(dòng)程序交互來完成它們的功能。由于WDM驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用平臺(tái)是Windows2000，是內(nèi)核的重要組件之一并與其它內(nèi)核組件有相當(dāng)多的關(guān)聯(lián)。3.2.2驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具目前，市場(chǎng)上存在多種開發(fā)WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工具。常用的有Microsoft提供的WindowsDDK,NuMega公司的DriverStudio和Jungo公司的WinDriver等。其中： （1）DDK是最基本的，也是最原始的驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具。對(duì)應(yīng)不同的操作系統(tǒng)有DDK98和DDK2000兩種，分別用來開發(fā)Windows98和Windows2000下的驅(qū)動(dòng)程序。使用DDK開發(fā)過程靈活，開發(fā)出的驅(qū)動(dòng)程序的代碼效率高，與操作系統(tǒng)結(jié)合好43。但是用DDK開發(fā)，要對(duì)整個(gè)體系結(jié)構(gòu)有很好的理解和把握，要求開發(fā)者閱讀大量的DDK文檔，深入了解操作系統(tǒng)的內(nèi)核工作方式，而且開發(fā)過程大部分場(chǎng)合都直接使用匯編語言編程，一般來說難度太大，因此它只適于專業(yè)的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員，對(duì)于一般硬件開發(fā)人員將要很長的周期。 （2）DriverStudio是一套用來簡(jiǎn)化微軟WINDOWS平臺(tái)下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)包。它的Driverworks用來開發(fā)WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。它還包含有一個(gè)功能強(qiáng)大內(nèi)核模式調(diào)試器SoftICE。這類工具一般以源代碼和庫函數(shù)調(diào)用的形式提供給開發(fā)者許多現(xiàn)成的設(shè)備底層驅(qū)動(dòng)支持，開發(fā)者只需要調(diào)用工具中的預(yù)定義類和底層驅(qū)動(dòng)接口就可以方便地生成符合用戶要求的完整驅(qū)動(dòng)程序。使用這類工具大大減小開發(fā)者的工作量和難度，縮短了開發(fā)周期，但驅(qū)動(dòng)程序不如使用DDK靈活，而且由于封裝的問題，可能會(huì)帶來一些bug，有可能導(dǎo)致項(xiàng)目的失敗。 （3）winDriver從開發(fā)驅(qū)動(dòng)的角度講，幾乎沒有難度。但是只能開發(fā)硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)，事實(shí)上我們只是定制和調(diào)用它提供的通用程序而己，工作效率不是很高。但開發(fā)花費(fèi)的時(shí)間很少，是上面的幾乃至幾十分之一。為了對(duì)Windows底層機(jī)制有更好的了解，同時(shí)也為了使溫度采集系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序有更高的效率，我們選擇了采用VC+DDK的方法來開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。3.2.3驅(qū)動(dòng)程序的功能模塊一個(gè)WDM驅(qū)動(dòng)程序的功能模塊大體上可以分為以下幾個(gè)組成部分 （1）初始化。 （2）創(chuàng)建和刪除設(shè)備。 （3）處理Win32程序打開和關(guān)閉文件句柄的要求。 （4）處理Win32的輸入/輸出（I/O）請(qǐng)求。 （5）實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的串行化訪問。 （6）訪問硬件。 （7）取消I/O請(qǐng)求。 （8）超時(shí)I/O請(qǐng)求。 （9）調(diào)用其它驅(qū)動(dòng)程序。 （10）處理電源管理請(qǐng)求。 （11）處理Windows管理診斷（WMI）向系統(tǒng)管理員報(bào)告。（12）處理一個(gè)可熱插拔的設(shè)備被加入或刪除的情況。WDM驅(qū)動(dòng)程序有兩個(gè)主要的初始化入口點(diǎn)：DrvierEntry和AddDevice例程。DrvierEntry注冊(cè)其它回調(diào)例程的。在運(yùn)行過程中，內(nèi)核會(huì)調(diào)用不同的回調(diào)例程來完成不同的任務(wù)。下面將著重介紹幾個(gè)基本的組成部分。3.3驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)3.3.1驅(qū)動(dòng)程序入口點(diǎn)和回調(diào)程序WDM驅(qū)動(dòng)程序有一個(gè)主要的初始化入口點(diǎn)，即一個(gè)必須稱為DriverEntry的例程。它有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)原型。當(dāng)WDM驅(qū)動(dòng)程序被裝入時(shí)，內(nèi)核調(diào)用DriverEntry例程。 驅(qū)動(dòng)程序的DriverEntry例程必須設(shè)置一系列的回調(diào)例程來處理IRP。每一個(gè)回調(diào)例程都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)原型。內(nèi)核會(huì)在合適的環(huán)境下調(diào)用這個(gè)例程。程序代碼見附錄C。3.3.2即插即用的實(shí)現(xiàn)即插即用（PNP）是WDM驅(qū)動(dòng)程序所支持的一種新的特性。USB正是由于即插即用的性能，才使他使用起來異常方便。完全地支持即插即用是每一個(gè)WDM驅(qū)動(dòng)程序的目標(biāo)。對(duì)于一般的驅(qū)動(dòng)程序來說，所謂的即插即用完全是由AddDevice例程和一個(gè)IRP_MJ_PNP的主功能代碼來實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)一個(gè)新的即插即用設(shè)備被添加到系統(tǒng)時(shí)，內(nèi)核PNP管理器沿設(shè)備棧向上依次調(diào)用每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的AddDevice函數(shù)，在本設(shè)計(jì)的USB功能驅(qū)動(dòng)中，由PnpAddDevice實(shí)現(xiàn)。 PnpAddDevice例程的工作是創(chuàng)建和初始化一個(gè)設(shè)備對(duì)象供當(dāng)前驅(qū)動(dòng)程序使用。同時(shí)PnpAddDevice例程通過調(diào)用IoRegisterDeviceInterface為驅(qū)動(dòng)程序建立一個(gè)設(shè)備接口，并通過調(diào)用IoAttachDeviceToDeviceStack例程把該對(duì)象連接到設(shè)備棧。PnpAddDevice例程被調(diào)用后，PNP管理器使用PnPIRP發(fā)送消息，例程D12_Pnp實(shí)現(xiàn)了IRP_MJ_PNP消息的處理過程，其通過判別常用次功能代碼來執(zhí)行不同的PnP操作。 PnpAddDevice的實(shí)現(xiàn)及被調(diào)用后的消息處理過程的具體實(shí)現(xiàn)代碼見附錄D。第4章 硬件部分程序代碼4.1驅(qū)動(dòng)程序的安裝及INF文件 當(dāng)windows發(fā)現(xiàn)新的設(shè)備時(shí)（在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)、在安裝熱插拔設(shè)備時(shí)、或者在從控制面板安裝新設(shè)備時(shí)），就調(diào)用windows的“添加新設(shè)備向?qū)А眻?zhí)行。這個(gè)向?qū)Ь蛼呙杷锌捎玫腎NF文件，試圖找到合適的驅(qū)動(dòng)程序。至于如何找到想要的INF文件，這就需要前面敘述的硬件ID號(hào)，即廠商號(hào)VID和產(chǎn)品號(hào)PID,VID和PID都是要寫入固件程序中的。這里使用的VID是0471(PHILIPS公司的設(shè)備ID）、PID是0222。 選擇一個(gè)設(shè)備的規(guī)則是相當(dāng)復(fù)雜的，Windows首先選擇硬件ID匹配的設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，否則它選擇其兼容ID與設(shè)備的兼容功最佳匹配的驅(qū)動(dòng)程序，或者提示用戶選擇驅(qū)動(dòng)程序INF文件。如果不能發(fā)現(xiàn)合適的驅(qū)動(dòng)程序，就提示用戶插入驅(qū)程序盤。下面就來介紹一下INF的相關(guān)內(nèi)容。 INF是DeviceINFormationFile的英文縮寫，是Microsoft公司為硬件設(shè)備制造商發(fā)布其驅(qū)動(dòng)程序推出的一種文件格式，INF文件中包含硬件設(shè)備的信息或腳本以控制硬件操作。在INF文件中指明了硬件驅(qū)動(dòng)該如何安裝到系統(tǒng)中，源文件在哪里、安裝到哪一個(gè)文件夾中、怎樣在注冊(cè)表中加入自身相關(guān)信息等等。它由節(jié)組成，每一節(jié)從方括號(hào)中的節(jié)名稱開始，后面是節(jié)內(nèi)容。節(jié)的順序可以是任意的。具體內(nèi)容如表5所示。 表5INF文件常用的節(jié)節(jié) 項(xiàng) 值描述Signature $Windowsnt$ 、 $Windows95$、$Chicago$ Provider INF文件創(chuàng)建者 Version Class 系統(tǒng)定義的一個(gè)類名字（詳見DDK), 或者是用戶指定的新的類名字 ClassGuid 匹配的類 GUID DriverVer Mm/dd/yyyy,a.b.c.dStrings %string%=值 指定的一個(gè)字符串SourceDisksNames 對(duì)于每個(gè)發(fā)行軟盤或 CD-ROM，指定它的描述和可能的打文件和目錄 SourceDisksFiles 指定文件名、源磁盤 ID 和可選的子目錄和文件大小。如果所有文件都在根目錄中，這個(gè)節(jié)可以是空的 Manufacturer %manufacturer_name 指定廠商名和對(duì)應(yīng)的models節(jié)的% = modelModels 指定產(chǎn)品名稱、對(duì)應(yīng)的 install 節(jié)的名稱、硬件 ID 和 0 個(gè)或更多個(gè)兼容 ID Copyfiles=filename|filelist 指定要復(fù)制的文件、或列出這些文件的 f ilelist 節(jié)的名稱install AddReg=addreg 指定 addreg節(jié)的名稱 ProfileItems 列出指定要添加到“開始”菜單的項(xiàng) allreg 添加新的鍵和值節(jié)項(xiàng) 值描述VersionStringsSourceDisksNamesSourceDisksFilesManufacturerModelsInstallallregSignatureProviderClassClassguidDriverVer%string%=值對(duì)于每個(gè)發(fā)行軟盤或 CD-ROM%manufacturer_name% = modelAddReg=addregProfileItems添加新的鍵和值$Windowsnt$ 、 $Windows95$、$Chicago$INF文件創(chuàng)建者系統(tǒng)定義的一個(gè)類名字（詳見DDK), 或者是用戶指定的新的類名匹配的類 GUID字Mm/dd/yyyy,a.b.c.d指定的一個(gè)字符串指定它的描述和可能的打文件和目錄指定文件名、源磁盤 ID 和可選的子目錄和文件大小。如果所有文件都在根目錄中，這個(gè)節(jié)可以是空的指定廠商名和對(duì)應(yīng)的models節(jié)的名稱指定產(chǎn)品名稱、對(duì)應(yīng)的 install 節(jié)的名稱、硬件 ID 和 0 個(gè)或更多個(gè)兼容 IDCopyfiles=filename|filelist 指定要復(fù)制的文件、或列出這些文件的 filelist 節(jié)的名稱指定 addreg節(jié)的名稱ProfileItems 列出指定要添加到“開始”菜單的項(xiàng) 4.2應(yīng)用程序 用戶應(yīng)用程序是系統(tǒng)與用戶的接口，它通過通用驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)USB設(shè)備的控制和通信。在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，首先要建立與USB設(shè)備的連接，然后才能實(shí)施數(shù)據(jù)的傳輸。用戶程序首先必須查找設(shè)備，打開設(shè)備的句柄，然后進(jìn)行讀寫和控制操作，最后是關(guān)閉設(shè)備句柄。 我們已經(jīng)知道，Windows2000是分態(tài)的操作系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶態(tài)下，其行為受到操作系統(tǒng)嚴(yán)格限制，防止其對(duì)其它應(yīng)用和系統(tǒng)代碼的破壞。因此，應(yīng)用程序能調(diào)用Win32子系統(tǒng)提供的API（Win32子系統(tǒng)模塊中的服務(wù)代碼）來實(shí)現(xiàn)與設(shè)備通訊。當(dāng)應(yīng)用程序需要讀取設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，它就調(diào)用Win32API函數(shù)，Win32子系統(tǒng)模塊通過調(diào)用平臺(tái)相關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)該API，而平臺(tái)相關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)將調(diào)用內(nèi)核模式支持例程。 在WIN32系統(tǒng)中，把每一個(gè)程序都抽象為文件，此時(shí)的應(yīng)用程序只需要通過幾條簡(jiǎn)單的文件操作API函數(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序中某個(gè)設(shè)備通信，一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)設(shè)備。并且此驅(qū)動(dòng)程序可能為WINDOWS系統(tǒng)中己有的，也可能為用戶安裝的。在Windows中，應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)與WDM通信的過程是：應(yīng)用程序先用CreateFile函數(shù)打開設(shè)備；然后用DeviceIoControl與WDM進(jìn)行通信，通信方式包括從WDM中讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)給WDM兩種情況，即用ReadFile函數(shù)從WDM中讀取數(shù)據(jù)或用WriteFile函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入WDM；要退出應(yīng)用程序時(shí)，用CloseHandle函數(shù)關(guān)閉設(shè)備。這將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于此設(shè)備對(duì)象的相應(yīng)IRP。這種關(guān)系如表6所示。表6WIN32函數(shù)對(duì)應(yīng)的IRP主功能代碼WIN32函數(shù)IR