畢業(yè)設(shè)計(jì)基于USB的串行通信軟硬件設(shè)計(jì)

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 usb 的串行通信軟硬件設(shè)計(jì) based on usb serial communication software and hardware design 學(xué)學(xué) 生生 姓姓 名名 專專 業(yè)業(yè)電子信息工程 學(xué)學(xué) 號號 指指 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師師 學(xué)學(xué) 院院電子信息工程學(xué)院 摘摘 要要 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，在瞬態(tài)信號測量、 圖像處理等一些高速、高精度的測量中，需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，而 usb 總線 具有高速傳輸、熱拔插、即插即用等特點(diǎn)，已經(jīng)在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之中得到 了越來越廣泛的應(yīng)用。 文中以 pic 單片機(jī)為核心，采用 pic 單片機(jī)

2、內(nèi)部的 a/d 轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)了基 于 usb100 模塊設(shè)計(jì)了一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 文中詳細(xì)闡述了基于 usb100 模塊設(shè)計(jì)了一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案選擇和 總體設(shè)計(jì)、硬件電路以及系統(tǒng)軟件編程等。介紹了設(shè)計(jì)的具體的電路實(shí)現(xiàn)以及 相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并在文中給出了系統(tǒng)的硬件原理圖及軟件程序流程圖。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：通用串行總線通用串行總線 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 單片機(jī)單片機(jī) abstract modern industrial production data collection and scientific research on the require- ments of increasing the

3、 transient signal measurement, image processing and other high -speed, high-precision measurement, the need for high-speed data acquisition, and the usb bus with high-speed transmission, hot plug, plug-and-play features, has been in high-speed data acquisition systems have been more widely used. in

4、a pic microcontroller as the core, a pic microcontroller internal a / d convert- r, designed usb100 modular design based on a data collection system. described in detail based on the usb100 module designed a data collection syste- m and the overall design of the options, hardware and system software

5、 programming, and so on. on the specific design of the circuit and the corresponding results, and are given in the text of the principle of the hardware and software flow chart. keywords：universal serial bus data acquisition signal chip 目目 錄錄 第一章第一章 緒論緒論.1 第二章第二章 方案選擇和總體設(shè)計(jì)方案選擇和總體設(shè)計(jì).3 2.1 方案選擇.3 2.2

6、總體設(shè)計(jì).5 第三章第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).7 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng).7 3.1.1 pic 單片機(jī)的特點(diǎn).7 3.1.2 pic16f73 單片機(jī)的引腳功能.8 3.1.3 pic16f73 單片機(jī)最小系統(tǒng).9 3.2 顯示器接口電路設(shè)計(jì).10 3.3 usb 接口電路設(shè)計(jì).12 3.3.1 usb100 模塊的特點(diǎn) .12 3.3.2 usb100 的引腳圖及功能 .13 3.3.3 usb100 控制時序 .13 3.3.4 usb100 與單片機(jī)接口 .14 3.4 數(shù)據(jù)采集電路.15 第四章第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).17 4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì).17 4.

7、1.1 led 顯示程序模塊 .17 4.1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊.17 4.1.3 數(shù)據(jù)接收模塊.18 4.1.4 壓力數(shù)據(jù)采集模塊.19 4.1.5 數(shù)據(jù)處理模塊.20 4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì).21 4.2.1 串行通信控件的應(yīng)用.21 4.2.2 數(shù)據(jù)處理.23 4.2.3 數(shù)據(jù)庫.24 結(jié)結(jié) 論論.27 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).28 致致 謝謝.29 第一章第一章 緒論緒論 在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，單片機(jī)以其低成本，編程靈活、方便，實(shí) 時性強(qiáng)和具有一定的智能而得到了廣泛的應(yīng)用。然而，許多復(fù)雜任務(wù)的實(shí)現(xiàn)， 如人機(jī)對話、任務(wù)的切換、算法的實(shí)現(xiàn)、大數(shù)據(jù)的運(yùn)算等，單片機(jī)就顯得有些 力不從心，而 pc

8、 機(jī)在這方面卻有強(qiáng)大的優(yōu)勢。這就需要將它們組合成系統(tǒng)，讓 單片機(jī)只管控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸；pc 機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn) 功能。這就涉及到單片機(jī)與 pc 機(jī)之間的通訊問題，在需要實(shí)時傳遞和處理聲音 和圖象等大批數(shù)據(jù)的時候，普通的通信方式難以滿足要求。 這就為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了兩個方面的要求：一方面，要求接口簡 單靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸率；另一方面，由于數(shù)據(jù)量通常都較大，要求主機(jī) 能夠?qū)?shí)時數(shù)據(jù)做出快速響應(yīng)，并及時進(jìn)行分析和處理，并在單片機(jī)和 pc 機(jī)之 間進(jìn)行高速和可靠的通訊。傳統(tǒng)的外設(shè)與主機(jī)的通信接口難以滿足上述第一個 方面的要求，這些接口一般采用 pci 布部線或 rs-2

9、32 串行總線。pci 總線雖然 有很高的傳輸率（可達(dá) 132mbps） ，還能“即插即用”，但是它們的擴(kuò)充槽相當(dāng)有 限，且插拔并不方便；rs-232 串行總線雖然連接方便，可是它的帶寬非常有限， 傳輸速度太慢，而且 1 條 rs-232 串口通信電纜只能連接 1 個物理設(shè)備。 usb 技術(shù)正是順應(yīng)這一要求提出的，它集 pci 和 rs-232 的優(yōu)點(diǎn)于一身： 具有較高的傳輸速率（usb 協(xié)議 1.1 支持最高傳輸速度達(dá) 12mbps，usb 協(xié)議 2.0 支持最高傳輸速度可達(dá) 480mbps） ，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“即插即用”（plug i11) while(!adif); d=adresh

10、; e=adresl; sum+=d256+e; i+; adif=0; adgo=1; if(sum2000)語句可以起到超過 2n 發(fā)出警示的作用。 4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) vb 全稱 visual basic，是微軟公司推出的基于 basic 語言的可視化編程環(huán)境,以 其簡單易學(xué)功能強(qiáng)大而倍受廣大電腦愛好者的青睞。隨著 windows 在國內(nèi)的普 及，特別是 windows95 的推出，越來越多的微機(jī)用戶轉(zhuǎn)向了 windows 操作系統(tǒng)。 要開發(fā)一個功能強(qiáng)、界面美觀的應(yīng)用軟件，其編程和調(diào)試的工作量是非常大的， 許多并非搞軟件出身的工程技術(shù)人員對 windows 編程望而生畏

11、。 然而使用微軟的 visual basic 來開發(fā)這些方面的 windows 應(yīng)用軟件就十分 方便，一般工程技術(shù)人員易于掌握，設(shè)計(jì)軟件界面非常方便。編程工作量相對 較小，只需進(jìn)行主要應(yīng)用功能的編程和少量界面控制的編程。visual basic 更加 簡化了 windows 程序接口的設(shè)計(jì)工作,只需要極少量的代碼，就能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn) windows 應(yīng)用程序的接口?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，pc 機(jī)采用 vb 編程設(shè)計(jì)界面。 4.2.1 串行通信控件的應(yīng)用串行通信控件的應(yīng)用 1、串行通信控件 在 pc 機(jī)上安裝 usb100 模塊專用驅(qū)動程序后，usb100 即作為 pc 機(jī)上的 一個標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可以按照與操作串

12、口完全一樣的方法來編程，這也是 usb100 開發(fā)與其他 usb 方案相比最大的優(yōu)點(diǎn)。在 vb 中可以將其按標(biāo)準(zhǔn)的串口來使用， 用 mscomm 控件將 usb100 當(dāng)作一個真實(shí)的串口來連接，并進(jìn)行控制，此串口 通信速率為 8mbps，pc 上設(shè)定該串口的速率不會對傳輸速率有影響，這是與實(shí) 際串口的區(qū)別。 2、串行通信程序?qū)崿F(xiàn) 通信初始化設(shè)置程序如下： with mscomm1 通訊初始化 inputmode = cominputmodebinary 設(shè)置接收數(shù)據(jù)模式為二進(jìn)制形式 .inputlen = 10 設(shè)置 input 一次從接收緩沖讀取字節(jié)數(shù)為 10 .sthreshold = 5

13、 少于 5 字節(jié)時生成 oncomm 事件 .rthreshold =4 當(dāng)接收緩沖區(qū)達(dá)到 20 個字節(jié)時引發(fā)接收事件 .inbuffercount = 0 清收發(fā)緩沖區(qū) .outbuffercount = 0 end with 3、pc 機(jī)接收數(shù)據(jù)程序流程圖 pc 機(jī)接收數(shù)據(jù)程序流程圖如圖 4.5 所示。 圖 4.5 pc 機(jī)接收數(shù)據(jù)程序流程圖 4.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 如果有隨機(jī)干擾作用于信號傳輸過程中，vb 接收到的數(shù)據(jù)就會偏離真實(shí)值。 這樣一來，僅采樣一次，是無法確定該結(jié)果是否可信的，必須多次采樣，得到 一個 a/d 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)系列，通過某種算法處理后，才能得到一個可信度較高的 結(jié)

14、果。 pc 機(jī)的優(yōu)勢在于它具有高速和大批量數(shù)據(jù)處理能力，本設(shè)計(jì)充分利用 pc 機(jī)的這個優(yōu)點(diǎn)，在程序中加入了求平均值算法。標(biāo)定處理主要完成采集到的數(shù) 據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的映射關(guān)系處理，它需要不斷的根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)校正。 4.2.3 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)采集的目的是對其進(jìn)行分析處理或備案，將所得的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫后 可以方便的執(zhí)行各種處理，又具有備案作用，所以，在程序中加入數(shù)據(jù)庫操作 部分是非常必要的。 所謂數(shù)據(jù)庫(database,db)10就是長期存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)，以一定組織方式動 態(tài)存儲的、相互關(guān)聯(lián)的、可共享的數(shù)據(jù)集合，它不僅包括數(shù)據(jù)本身，還包括相 關(guān)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)庫最大特點(diǎn)是通過聯(lián)系減少了不必要的數(shù)

15、據(jù)冗余。同 時，不同用戶可以使用同一數(shù)據(jù)庫中自己所需的子集，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。利 用“可視化數(shù)據(jù)管理器”可以進(jìn)行的數(shù)據(jù)庫基本操作包括添加記錄、編輯記錄、 刪除記錄等。 數(shù)據(jù)(data)控件是 vb 提供的一個標(biāo)準(zhǔn)控件，通過該控件無需編寫代碼就可 以方便地訪問 vb 所支持的各種類型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)控件本身并不能顯 示和直接修改記錄，只能在與數(shù)據(jù)控件相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)約束控件中顯示各個記錄。 數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫的程序如下： sub ru_ku() me.data1.recordset.addnew 數(shù)據(jù)庫記錄開始 text6.text = j text7.text = time text5.text

16、= trim(date) me.data1.recordset.update end sub 其中，text5、text6 和 text7 分別與數(shù)據(jù)庫列表中的日期、壓力和時間對 應(yīng)?？紤]到寫入數(shù)據(jù)庫操作和 vb 界面不能同時進(jìn)行，本設(shè)計(jì)采用兩個文本對 應(yīng)同一錄入項(xiàng)的處理方法，即將處理后的數(shù)據(jù)同時送入兩個 text 文本框，其中 一個用于界面中的實(shí)時顯示，另一個則設(shè)為隱藏方式，它與數(shù)據(jù)庫列表中的對 應(yīng)項(xiàng)關(guān)聯(lián)，由它完成數(shù)據(jù)庫的錄入工作。 部分?jǐn)?shù)據(jù)庫的記錄如圖 4.6 所示： 圖 4.6 數(shù)據(jù)庫中的記錄圖 由于采集到的數(shù)據(jù)用 text 文本顯示不能留住歷史記錄，用列表框(listbox) 顯示雖然

17、可以查找歷史數(shù)據(jù)，但效果很差。本設(shè)計(jì)選擇 msflexgrid 控件進(jìn)行 列表顯示采集到的數(shù)據(jù)，msflexgrid 控件的一個主要特性是它能顯示層次結(jié)構(gòu) 記錄集，以層次結(jié)構(gòu)方式顯示關(guān)系表，另外，它可以顯示網(wǎng)格數(shù)據(jù)，也可以對 其進(jìn)行操作。它提供了高度靈活的網(wǎng)格排序、合并和格式設(shè)置功能，網(wǎng)格中可 以包含字符串和圖片。使用該控件后，vb 人機(jī)界面如圖 4.7 所示。 與 msflexgrid 控件有關(guān)的程序說明如下： 數(shù)據(jù)表格屬性設(shè)置： me.msflexgrid1.textmatrix(0, 0) = 編號 me.msflexgrid1.textmatrix(0, 1) = 壓力值 me.msf

18、lexgrid1.textmatrix(0, 2) = 日期 me.msflexgrid1.textmatrix(0, 3) = 時間 me.msflexgrid1.textmatrix(0, 4) = 檢測次數(shù) 如何通過代碼調(diào)節(jié)列寬度 msflexgrid1.colwidth(i) = 1000 msflexgrid1.colwidth(i + 1) = 1300 msflexgrid1.colwidth(i + 2) = 1000 msflexgrid1.colwidth(i + 3) = 1000 設(shè)置數(shù)據(jù)表格中的內(nèi)容居中顯示 msflexgrid1.colalignment(index

19、) = 5 msflexgrid1.colalignment(index + 1) = 5 msflexgrid1.colalignment(index + 2) = 5 msflexgrid1.colalignment(index + 3) = 5 msflexgrid1.colalignment(index + 4) = 5 圖 4.7 vb 人機(jī)界面 結(jié)結(jié) 論論 經(jīng)過近三個多月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)已近尾聲。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年所 學(xué)知識的綜合運(yùn)用，是對四年學(xué)習(xí)的總結(jié)和完善。 本設(shè)計(jì)主要完成了以下設(shè)計(jì)任務(wù)： 微控制器與 usb 控制芯片的接口硬件設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足 pc 機(jī)與 pic 單

20、片機(jī)通信的基本要求，并具有通信工作指示功能，它具有一定的實(shí)用性， 是在總結(jié)他人成功經(jīng)驗(yàn)又進(jìn)一步完善而成的； 微控制器與 usb 控制芯片的通信程序設(shè)計(jì)，該程序能夠完成正確的數(shù)據(jù) 收發(fā)工作，并具有一定的通用性和很強(qiáng)的移植性； 微控制器模擬數(shù)據(jù)采集部分軟硬件設(shè)計(jì)，該部分由精密放大電路和 pic 的 a/d 轉(zhuǎn)換部分組成，能夠正確的完成壓力數(shù)據(jù)采集任務(wù)，還增加了 pic 單片 機(jī)的 led 顯示部分，使下位機(jī)系統(tǒng)具有了獨(dú)立工作的能力； pc 機(jī)與 usb 控制芯片的通信程序設(shè)計(jì)，該程序能夠正確接收來自 pic 單片機(jī)的數(shù)據(jù)，并將其列表顯示，增加的數(shù)據(jù)庫錄入環(huán)節(jié)使系統(tǒng)功能更加完善。 由于本人的能力和設(shè)

21、計(jì)時間有限，設(shè)計(jì)還存在如下不足之處：pc 機(jī)的發(fā)送 數(shù)據(jù)模塊和 pic 單片機(jī)的接收數(shù)據(jù)模塊之間的相互協(xié)調(diào)有待進(jìn)一步改進(jìn)；pc 機(jī) 的數(shù)據(jù)處理能力沒有很好利用，數(shù)據(jù)傳輸速率有待進(jìn)一步提高。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1洪永強(qiáng). 微機(jī)原理與接口技術(shù).北京m：科學(xué)出版社，2004.6 2蕭世文. usb 2.0 硬件設(shè)計(jì)m.北京：清華大學(xué)出版社，2002.10 3張春平 耿恒山. 微控制器在 usb 接口中的應(yīng)用m. 中國電子網(wǎng) 4迅通電子. usb100 通用串行總線模塊j. 迅通科技數(shù)據(jù)手冊 5王鐵鈞. 主從控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊. 中國工控網(wǎng) 6劉啟中等. pic 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2003.1