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

目錄1方案提出的背景.錯誤!未定義書簽。1.1研究課題的提出.錯誤!未定義書簽。1.2USB接口的主要優(yōu)點.錯誤!未定義書簽。2系統(tǒng)的原理及其組成.錯誤!未定義書簽。3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計.錯誤!未定義書簽。3.1芯片的選擇.錯誤!未定義書簽。3.2PDIUSBD12的性能特點和內(nèi)部結(jié)構(gòu).錯誤!未定義書簽。3.3PDIUSBD12的端點描述.錯誤!未定義書簽。3.4PDIUSBD12的指令集.錯誤!未定義書簽。3.5PDIUSBD12的管腳配置.錯誤!未定義書簽。3.5A/D與單片機接口電路.錯誤!未定義書簽。3.6PDIUSBD12與單片機接口電路.錯誤!未定義書簽。4系統(tǒng)軟件.錯誤!未定義書簽。4.1PDIUSBD12的固件編程.錯誤!未定義書簽。4.1.1PDIUSBD12的固件編程思想.錯誤!未定義書簽。4.1.2PDIUSBD12固件編程的結(jié)構(gòu).錯誤!未定義書簽。4.1.3PDIUSBD12固件編程的實現(xiàn).錯誤!未定義書簽。4.1.4控制端點處理程序.錯誤!未定義書簽。4.1.5普通端點處理程序.錯誤!未定義書簽。4.1.6主循環(huán)-MAINLOOP.C.錯誤!未定義書簽。4.1.7PDISBD12固件編程的關(guān)鍵注意事項.錯誤!未定義書簽。4.2USB設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā).錯誤!未定義書簽。4.2.1驅(qū)動程序開發(fā)工具的介紹.錯誤!未定義書簽。4.2.2驅(qū)動程序中的基本概念.錯誤!未定義書簽。4.2.3USB驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu).錯誤!未定義書簽。4.2.4USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計.錯誤!未定義書簽。4.2.5USB設(shè)備驅(qū)動程序的調(diào)用.錯誤!未定義書簽。結(jié)束語.錯誤!未定義書簽。參考文獻.錯誤!未定義書簽。致謝.錯誤!未定義書簽?；趩纹瑱C和USB接口技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計文摘數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機的測量軟硬件產(chǎn)品實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集包括從信號源采集信號，將其數(shù)字化，存儲分析并傳遞到個人PC上。通用串行總線(USB)作為一種新的微機總線接口規(guī)范具有便捷、易擴展、低成本、低干擾等特點，非常適合作為主機和外設(shè)之間的通信接口。USB為數(shù)據(jù)采集設(shè)備/儀器與PC機之間的連接提供了一個費用低廉且簡單易用的方案。本次畢業(yè)設(shè)計(論文)設(shè)計了一種基于USB的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件及固件PDIUSBD12程序設(shè)計方案。關(guān)鍵字數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；USB接口；單片機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，使得計算機和外圍設(shè)備也得到飛速發(fā)展和應(yīng)用。過去人們單純追求計算機與外設(shè)之間的傳輸速度，現(xiàn)在糾錯能力和操作安裝的簡易性也成為人們關(guān)注的目標。USB通訊技術(shù)的出現(xiàn)，使高傳輸速度、強糾錯能力、易擴展性、方便的即插即用，有機的結(jié)合在一起。USB設(shè)備需要依據(jù)USB協(xié)議進行數(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)動程序為橋梁。驅(qū)動程序以WDM為模型，以DDK為開發(fā)工具，以IRP為消息傳播載體，來實現(xiàn)與Windows系統(tǒng)底層核心機制向交互的功能。隨著控制系統(tǒng)的日益復雜，所要采集的量也會越來越多。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)的時間并不長，但是由于它的種種優(yōu)點，被越來越多的廠商和用戶所接受，出現(xiàn)了USB打印機、攝像頭等產(chǎn)品。隨著機日益廣泛的應(yīng)用,其外設(shè)也逐日增多,但機接口的數(shù)量是一定的,這就限制了機掛接外設(shè)的數(shù)量。在很多應(yīng)用場合,如工業(yè)數(shù)據(jù)采集,常使用采集板卡來完成工作,采用板卡不僅安裝麻煩、易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾,而且受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制,不可能掛接很多設(shè)備,而通用串行總線可以很容易的實現(xiàn)高可靠性、多點的數(shù)據(jù)采集。1.2USB接口的主要優(yōu)點接口主要優(yōu)點為:(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時性的設(shè)備(如鼠標等),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)備不必打開機箱,加減已安裝過的設(shè)備不用關(guān)閉計算機。所有USB設(shè)備支持熱插拔,系統(tǒng)對其進行自動配置。(3)易于擴展。通過使用戶HUB擴展可接多達127個外設(shè)。標準電纜長度為3(5低速),通過USB或中繼器可以使外設(shè)距離達到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，管理和控制整個系統(tǒng)。該芯片集成度高，與51單片機兼容，不同的是片內(nèi)是8KB的flash內(nèi)存。整個數(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，模擬輸入信號通過信號處理(放大和濾波)后，輸出到A/D轉(zhuǎn)換器，微控制器把經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過USB控制芯片輸出給計算機，同時可以在計算機上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和鍵盤控制；另一方面，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器采集到的數(shù)字信號可以通過算法實現(xiàn)控制后，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器輸出，進而可以對其它設(shè)備進行控制；同時，該系統(tǒng)還可以作為一種USB和串行口的轉(zhuǎn)接卡，通過串行口與USB接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交互，充分利用了USB的快速性和RS-232遠距離的優(yōu)勢，實現(xiàn)了資源優(yōu)勢互補，可以通過該板卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸，既提高了傳輸速率，又增加了傳輸距離。而USB主機及顯示部分則通過輸出接口在PC機上顯示，采用軟件來模擬顯示輸入信號的波形。同時可以控制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USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚∠到y(tǒng)。其功能為:USB收發(fā)器負責處理所有與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校驗等，但該收發(fā)器不負責解釋這些數(shù)據(jù)的意義；微處理器負責處理數(shù)據(jù)、響應(yīng)主機請求、以及控制USB收發(fā)器的工作；內(nèi)存負責存儲和提供數(shù)據(jù)。圖1設(shè)計數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)原理圖其中，狀態(tài)監(jiān)視器是一個高速的單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器，用來實現(xiàn)掉電和恢復操作的，當系統(tǒng)連續(xù)3ms檢測不到主機的請求時，系統(tǒng)就會進入掛起狀態(tài)；當系統(tǒng)從掛起狀態(tài)退出以后，狀態(tài)監(jiān)控器就產(chǎn)生一個正脈沖以復位/喚醒整個系統(tǒng)。3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計基于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)展起來的。采集到的數(shù)據(jù)通過主機接口(USB口)發(fā)送到上位機并實時顯示出來，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。在選擇一個芯片時，用戶一般考慮的是芯片含有的功能、價位、是否容易取得以及是否容易開發(fā)等因素。一個芯片是否容易開發(fā)與開發(fā)工具是否容易取得及其品質(zhì)，設(shè)備的驅(qū)動程序，有無示例程序代碼，以及對設(shè)備結(jié)構(gòu)等的了解而定。下面對本系統(tǒng)中芯片的選擇作一個簡單的介紹。3.1芯片的選擇基于USB的外置式硬件電路的設(shè)計核心是USB控制器的選擇，在進行一個具體的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USB外圍設(shè)備的設(shè)計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，則是一般單片機應(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)接口芯片與單片機應(yīng)用系統(tǒng)的接口問題。一般USB接口芯片都支持多種并行總線結(jié)構(gòu)(復用/非復用)，可以方便地與多種單片機連接。目前，市場上可供選擇的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(也稱USB主控制器)。(1)帶USB接口的單片機(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，因為大多數(shù)這樣的單片機芯片都是基于8051結(jié)構(gòu)或者其它常見的結(jié)構(gòu)，有自己的精簡指令集，與單片機類似，熟悉單片機開發(fā)的開發(fā)者對系統(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，對于簡單或低成本系統(tǒng)，價格高將會是最大的障礙。(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)，必須有一個外部微處理器來進行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。這種方案的主要特點是價格便宜、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，缺點是開發(fā)者需要非常熟悉USB協(xié)議，還必須用微處理器來控制USB外設(shè)接口芯片的工作。綜合比較，PDIUSBD12是一款性價比很高的USB器件，可使設(shè)計者選擇最合適的微控制器，減少開發(fā)時間、風險及費用，是最實用最快捷的方法實現(xiàn)最經(jīng)濟的USB外設(shè)的方案。該芯片支持一個控制端點以及4個額外的端點地址。一個端點的緩沖區(qū)可以儲存到128個字節(jié)，而雙緩沖區(qū)可以到256個字節(jié)。PDIUSBD12通常用作微控制器系統(tǒng)中實現(xiàn)與微控制器進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、海量存儲器件、通信器件、打印設(shè)備以及人機接口設(shè)備。同樣地，PDIUSBD12還適用于打印機、掃描儀、外部存儲設(shè)備和數(shù)碼相機等等。另外，該芯片還集成了許多特性，包括SoftConnect,GoodLink、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終止寄存器集合，簡化USB功能在外設(shè)上的應(yīng)用。由于51系列的單片機是應(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進行核心程序的設(shè)計來實現(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)信號到符合USB規(guī)范的信號的轉(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、降低風險。3.2PDIUSBD12的性能特點和內(nèi)部結(jié)構(gòu)PDIUSBD12是一款性價比很高的USB器件，通常用作微控制器系統(tǒng)中實現(xiàn)與微控制器進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，包括可編程時鐘輸出、SoftConnet,GoodLink、低頻晶振。（1）可編程時鐘輸出:不必考慮電路設(shè)計時使用高頻晶振產(chǎn)生的EMI問題D12的CLKOUT引腳輸出時鐘信號，可用作MCU時鐘，最低4MHZ，最高達48MHZ.D12內(nèi)部有倍頻電路，外部只需6M晶振即可提供D12自身工作時鐘(48MHZ)及輸出時鐘。（2）軟連接(SoftConnet)技術(shù):芯片內(nèi)集成有1