基于USB總線和89C51單片機的數(shù)據(jù)采集設計.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)設計學生姓名：所在院系：機電學院所學專業(yè)：應用電子技術教育導師姓名：完成時間：摘要本文介紹了基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設備的開發(fā)法，包括數(shù)據(jù)采集硬件設計、USB總線的硬件設計，同時也簡單的介紹了設備固件設計、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。關鍵詞：數(shù)據(jù)采集，89C51，通用串行總線BasedontheUSBbusand89C51single-chipdataacquisitionsystemdesignAbstractThispaperintroducestheacquisitionbasedonUSBbus-baseddataacquisition,includingthedataacquisitionhardwaredesignandUSBbusofthehardwaredesign.AlsointroducesUSB-basedremotedataacquisitionsystemandfirmwaredesign.89C51selectsthewaydatastoragechannelinthesingle-chipbycontrollingmulti-channelmodule,andthenthedatacollectedby89C51uploadtothehostcomputer.throughtheUSBchipsKeyword:DataAcquisition,89C51Single-chip,UniversalSerialB目錄1引言.12總體方案設計.12.1設計思路.12.2設計方框圖.13數(shù)據(jù)采集設計.23.1模擬信號的多路選擇.23.2多路開關原理.23.3A/D轉換介紹.33.3.1分辨率.33.3.2誤差和精度.43.3.3轉換速率.43.3.4A/D轉換的方法.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.65USB接口電路設計.75.1USB芯片內(nèi)部結構.85.1.1端點端點端點外部固件參考流程.95.2USB芯片與單片機的接口電路.105.3USB設備驅動程序設計.116應用程序設計.127設備固件設計.138遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計.149結束語.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，不可能掛接很多設備。本設計利用通用串行總線(UniversalSerialBus，簡稱USB)設計了基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設備很好地解決以上這些沖突。2總體方案設計2.1設計思路本設計主要包括三部分：數(shù)據(jù)采集設計部分，單片機控制部分和USB設計部分。數(shù)據(jù)采集由多路模擬開關、濾波采樣保持、隔離放大、A/D轉換、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。多路模擬模擬開關根據(jù)地址控制信號選擇一路信號進行濾波、放大、A/D轉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設計方框圖圖1設計方框圖光電隔離器多路模擬開關單片機USB電路上位機濾波采樣隔離放大A/D轉換3數(shù)據(jù)采集設計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轉換器也將多達256個4。3.2多路開關原理多路開關是切換數(shù)字信號和模擬信號的器件，也稱多路轉換器或多路復用器，記為MUX，能切換數(shù)字信號的多路開關也稱數(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也稱多路模擬開關，模擬開關同時也能切換數(shù)字信號。早期的多路開關曾采用繼電器，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，典型的多路開關有4雙通道多路開關、單8通道多路開關、雙8通道多路開關、單16通道多路開關等。其中單8通道多路開關典型的產(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。現(xiàn)已ADG658/ADG659為例介紹其機構和功能，ADG658/ADG659引腳圖如圖2所示,其功能見表1。圖2ADG658/ADG65引腳圖1S52S73D4S85S66EN/7VSS8GND9A210A111A012S413S114S215S316VDDADG6581S1B2S3B3DB4S4B5S2B6EN/7VSS8GND9A110A011S4A12S1A13DA14S2A15S3A16VDDADG659表1ADG658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2ADG659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分別構成4：1MUX,它同時受EN、A1、A0控制。3.3A/D轉換介紹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