畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于USB總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1.doc

1、檢索國內(nèi)usb總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)，分析國內(nèi)的現(xiàn)狀； 2、完成usb總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案選擇設(shè)計； 3、完成系統(tǒng)中usb總線硬件與軟件系統(tǒng)的設(shè)計； 4、完成系統(tǒng)中usb總線驅(qū)動程序系統(tǒng)的設(shè)計； 5、總結(jié)usb總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的體會和收獲； 6、完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：總字數(shù)不低于一萬字，使用a4編輯及打印裝訂成冊； 7、技術(shù)圖紙：控制系統(tǒng)原理圖1張（0號）、控制系統(tǒng)程序流程圖1張（0號）、； 8、翻譯英文技術(shù)資料：翻譯國內(nèi)usb總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的（或相關(guān)課題）開發(fā)及研究的英文資料。要求：3000單詞，復印原稿與翻譯(打印)稿同冊裝訂。 二、重點研究的問題： 1、 usb總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案選擇設(shè)計； 2、 系統(tǒng)中usb總線硬件與軟件系統(tǒng)的設(shè)計； 3、 系統(tǒng)中usb總線驅(qū)動程序系統(tǒng)的設(shè)計； 三、進度安排 各階段完成的內(nèi)容起止時間1資料檢索、查詢2010年2月20 日 3月5 日2系統(tǒng)總體方案構(gòu)思及設(shè)計2010年3月6日 3月20日3完成usb總線數(shù)據(jù)采集方案選擇設(shè)計2010年3月 21日 4月10日4完成usb總線數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計； 2010年4月11日 4月25日5完成usb總線數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計2010年4月26日 5月10日6畢業(yè)設(shè)計說明書撰寫和編輯2010年5月11日 5月19日7交畢業(yè)設(shè)計說明書和圖紙，答辯準備2010年5月 20 日 5月 25 日四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻1 薛圓圓編著.usb應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全m.北京:人民郵電出版社，2007.8 2 許永和，編著.usb接口完全解決方案m.北京:北京航空航天大學出版社，2004.8 3李全利，遲榮強編著.單片機原理及接口技術(shù)m.北京:高等教育出版社，2004.1 4周立功編著.pdiusbdi2 usb固件編程與驅(qū)動開發(fā)m.北京:北京航空航天大學出版社，2003.2 5邊海龍，賈少華編著.usb2.0設(shè)備的設(shè)計與開發(fā)m.北京:人民郵電出版社，2004.1 6張弘編著.usb接口設(shè)計m.西安:西安電子科技大學出版社，2002.1 7坎特編著.windows wdm設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)指南m.孫義，馬莉波等譯.北京:機械工業(yè)出版社，2000.1 8劉炳文，李鳳華編著visual basic 6.0 win32 api程序設(shè)計m.北京:清華大學出版社，2001.9 9陳志強編著.基于usb2.0圖像采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)m.西安:西安電子科技大學出版社，2007.5 10jan axelson編著；陳逸等譯.usb大全m.北京:中國電力出版社，2001.1 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表學號 2006183833 姓名 羅 杰 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）題目： 基于usb總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 評價項目評 價 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。論文（設(shè)計）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學；技術(shù)用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評 價評閱人： 2010年6月 日湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見學 號： 2006183833 學生姓名： 羅 杰 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 56 頁 圖 表 3 張論文（設(shè)計）題目： 基于usb總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 內(nèi)容提要： 本文介紹了一種基于通用串行總線usb(universal serial bus)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計。隨著用戶對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求的不斷提高,usb接口以其簡單易用、速度快而被廣大用戶所接受。本論文所闡述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了集成了微處理器的usb接口芯片pdiusbdi2來完成采樣控制并與pc機應(yīng)用程序完成系統(tǒng)通信功能。由應(yīng)用程序完成用戶命令及數(shù)據(jù)的顯示。該系統(tǒng)采用usb總線取代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集總線，通過對usb協(xié)議和設(shè)備構(gòu)架的理解,對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要解決了控制器與主機通信問題,數(shù)據(jù)采樣、模擬輸出、i/o擴展等電路設(shè)計以及它們之間的接口。軟件編程主要分為三部分:一是為滿足獲得最大傳輸速率和運行效率的固件程序編程；二是為用戶提供的以動態(tài)鏈接庫形式封裝的功能函數(shù)；三是提供演示和測試的控制面板程序，并為系統(tǒng)提供了兩個應(yīng)用實例。除此之外，論文還介紹了設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)，并在文章結(jié)尾對usb的應(yīng)用前景進行了探索。指導教師評語羅杰同學在畢業(yè)設(shè)計中，工作態(tài)度端正，能積極努力地學習與鉆研。畢業(yè)設(shè)計選題較合適，系統(tǒng)設(shè)計方案較合理，畢業(yè)說明書書寫、編輯較規(guī)范，論述較充分、通順、清晰，圖表及文獻引用較為規(guī)范，反映了該生具有一定的分析問題、解決問題的能力，文獻資料檢索、利用和外文閱讀翻譯能力得以提高，較好地完成了畢業(yè)設(shè)計任務(wù)要求。建議評定畢業(yè)設(shè)計成績?yōu)椋毫己谩Ｖ笇Ы處煟?年 月 日答辯簡要情況及評語答辯小組： 年 月 日答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日目 錄 第一章 緒論51.1 課題背景51.2 課題的提出51.3 usb串行總線優(yōu)勢61.4 本課題研究的內(nèi)容和意義7第二章 usb概要設(shè)計92.1 usb傳輸要件92.2 事務(wù)、信息包和聯(lián)絡(luò)信號92.3 usb的傳輸結(jié)構(gòu)102.4 usb總線枚舉過程132.5 usb的設(shè)備描述符142.6 usb請求15第三章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計173.1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)173.2 芯片選擇173.2.1 adc0809183.2.2 at89c51203.2.3 pdiusbd12213.3 接口硬件電路設(shè)計243.3.1 a/d與單片機接口電路253.3.2 pdiusbdi2與單片機接口電路25第四章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計274.1 a/d轉(zhuǎn)換時序控制274.2 固件的開發(fā)274.3 采用pdiusbd12的固件設(shè)計284.3.1 驅(qū)動的開發(fā)工具284.3.2 pdiusbd12固件程序的編寫294.4 固件結(jié)構(gòu)304.5 固件的編程實現(xiàn)324.5.1 底層函數(shù)324.5.2 命令接口324.5.3 中斷服務(wù)程序isr.c344.5.4 主循環(huán)mainloop.c36第五章 usb設(shè)備驅(qū)動及應(yīng)用程序設(shè)計405.1 usb設(shè)備驅(qū)動程序405.2 usb設(shè)備應(yīng)用程序設(shè)計46 第六章 結(jié) 論49 參考文獻50 附錄51基于usb總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計摘要:本文介紹了一種基于通用串行總線usb(universal serial bus)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計。隨著用戶對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求的不斷提高,usb接口以其簡單易用、速度快而被廣大用戶所接受。本論文所闡述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了集成了微處理器的usb接口芯片pdiusbdi2來完成采樣控制并與pc機應(yīng)用程序完成系統(tǒng)通信功能,由應(yīng)用程序完成用戶命令及數(shù)據(jù)的顯示。該系統(tǒng)采用usb總線取代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集總線,通過對usb協(xié)議和設(shè)備構(gòu)架的理解,對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要解決了控制器與主機通信問題,數(shù)據(jù)采樣、模擬輸出、i/o擴展等電路設(shè)計以及它們之間的接口。軟件編程主要分為三部分:一是為滿足獲得最大傳輸速率和運行效率的固件程序編程;二是為用戶提供的以動態(tài)鏈接庫形式封裝的功能函數(shù);三是提供演示和測試的控制面板程序,并為系統(tǒng)提供了兩個應(yīng)用實例。除此之外,論文還介紹了設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā),并在文章結(jié)尾對usb的應(yīng)用前景進行了探索。關(guān)鍵詞：usb總線；單片機；數(shù)據(jù)采集；固件；windows驅(qū)動程序模型；設(shè)備驅(qū)動程序usb bus-based data acquisition system design and implementationabstract:this paper describes the design of a data acquisition system based on usb. with the advance of the clients requirement on data collection of a system, as a late-model interface technology, usb is well accepted by vast clients because of its simplicity and high speed. the system using the usb interface chip with on-chip microprocessor pdiusbdi2controls the data acquisition process and communicates with the computer. through the man-machine interface clients can send commend and data can be printed. with good understanding of usb protocol and device truss, the system is design by using usb instead of other buses. the hardware design includes the communication between the controller and computer, the data acquisition part, analog output, i/o extension and the interface between them. the software program mainly includes the firmware code in the controller, functions for clients with dll encapsulation and the control panel design. also the device driver development is introduced and the foreground of usb application is explored at the end.key words：usb bus；data collection；mcu；fireware；wdm；device drive program第一章 緒論本次畢業(yè)設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在單片機at89c51控制下進行數(shù)據(jù)采集，并通過philips公司的usb接口芯片pdiusbdi2上傳給pc機進行分析、顯示和存盤。該系統(tǒng)用傳統(tǒng)的usb總線取代了rs232串行總線，通過對usb協(xié)議和設(shè)備構(gòu)架的充分理解，對以單片機89c51和usb接口芯片d12為主的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計和軟件編程，并在此設(shè)計的基礎(chǔ)上給出相應(yīng)的原理圖。硬件設(shè)計主要解決的是d12與單片機的接口電路的設(shè)計。軟件設(shè)計可分為三部分：一是充分了解d12的主要功能特點，為滿足d12在usb上的最大傳輸速率而編寫固件程序，用c51語言編寫：二是了解usb的設(shè)備驅(qū)動程序與應(yīng)用。1.1 課題背景現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益普遍，在瞬態(tài)信號測量、圖像處理等一些測量中，都需要進行數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)在通用的數(shù)據(jù)采集卡一般多是利用微機機箱內(nèi)的pci插槽或isa插槽進行擴展。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以簡潔、通用化的硬件配合以相應(yīng)的軟件實現(xiàn)以往專用測試儀器的功能;完成“軟件既儀器”的理念.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)底層核心機制相交互的功能。1.2 課題的提出對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言有兩個關(guān)鍵性問題:一是控制a/d轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂破鳎皇遣杉到y(tǒng)與上位機pc的傳輸方式。其中控制器一般采用通用的單片機，包括4位、8位、16位以至32位的各類單片機;這些單片機芯片優(yōu)勢在于價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、接口擴展能力強等，但是其數(shù)字運算能力較差，所以目前出現(xiàn)了許多以dsp芯片作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本課題為簡化開發(fā)難度，充分利用現(xiàn)有的工作環(huán)境采用較常用的at89c52單片機作為系統(tǒng)控制器。 對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機的通訊方式，現(xiàn)行的常用方式是利用pc機箱內(nèi)的pci, isa插槽進行擴展:其傳輸速度分別為132m/s. 16m/s、但是由于pc機接口資源有限，且需要對接口卡硬件資源進行合理配置，故其存在以下缺點:安裝麻煩;價格昂貴;受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴展性差;在一些電磁干擾性強的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，易導致采集的數(shù)據(jù)失真。本課題旨在使用新型的通用串行總線usb完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)架，充分發(fā)揮usb總線接口簡潔、使用方便的優(yōu)勢;并為后續(xù)的使用usb總線對實驗室現(xiàn)有的“頻率特性測試系統(tǒng)”改進作前期準備工作。課題主要完成四個方面的工作:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計、固件設(shè)計、應(yīng)用程序及wdm設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計。使用到的軟件工具包括prote199,k eilc 51,m icrosoftv isualst udio6 .0,w in2000ddk:使用到的硬件工具包括單片機寫入器、萬用表、示波器等等。采用的操作系統(tǒng)平臺為windows 200。1.3 usb串行總線優(yōu)勢通用串行總線usb( universals erialb us)是1995年康柏、微軟、ibm,d ec等公司為解決傳統(tǒng)總線不足而推廣的一種新型的通信標準。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優(yōu)點，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢?；趗sb的高速數(shù)據(jù)采集卡充分利用usb總線的上述優(yōu)點，有效解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。usb從傳統(tǒng)i/o模式的栓桔中解放出來，開辟了一條外設(shè)同pc機連接的方法。與其他的老式pc機接口相比，usb具有如下優(yōu)點：1. 熱插拔:用戶可以把usb外設(shè)連接到一臺正在運行的pc機上，操作系統(tǒng)能自動識別，并且用戶可以立即使用，而不需要重新啟動。用戶也可以在任何時候斷開usb設(shè)備，而不管計算機是否正在運行，這都不會損壞計算機。 2. 即插即用:usb實現(xiàn)了自動配置，它不需要用戶手動配置i/o地址和中斷請求(urq)。當usb外設(shè)接入pc時，操作系統(tǒng)會自動檢測到這個連接。并加載適合的驅(qū)動程序。對用戶來說，只需要等待幾秒鐘，usb外設(shè)的安裝就會完成。3. 共享式接口:usb端口支持多個外設(shè)的連接，通過usb集線器，一個usb主控制器可以連接多達126個外設(shè)。4.接口體積小巧:和其它老式的pc接口相比，usb接口小且薄，更適合于外設(shè)體積的小型化。5. 使用靈活:usb支持三種類型的傳輸速率，1.5mb/s的低速傳輸、12mb/s的全速傳輸和480mb/s的高速傳輸。usb支持四種傳輸類型，塊傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和控制傳輸。這使得usb總線適合多種外設(shè)的傳輸需要。6. 提供電源:usb電纜向外設(shè)提供一根+5v的電源線，電流的大小取決于集線器端口。用戶可以直接使用這個總線電源。當然 ,usb總線還存在許多缺陷，比如usb2.0所支持的480mb/s速率不及ieee-1394的六分之一;usb總線傳輸距離有限;usb總線協(xié)議復雜等。但隨著操作系統(tǒng)、硬件廠商對usb的進一步支持，其在pc外設(shè)方面的將大有可為。1.4本課題研究的內(nèi)容和意義本課題旨在對usb總線的結(jié)構(gòu)、協(xié)議和系統(tǒng)體系進行充分研究的基礎(chǔ)上，完成一個實際的usb數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟硬件的構(gòu)架。具體需要做的工作包括軟件和硬件兩部分。硬件方面 ,該系統(tǒng)使用philips公司的pdiusbd12芯片作為設(shè)備的usb接口芯片;采用常用的at89c51作為系統(tǒng)的cpu: adc0809芯片作為ad轉(zhuǎn)換芯片。配合其它輔助芯片和單片機固件完成輸入模擬信號的采集、存儲和向pc主機的傳輸。軟件方面分如下幾部分: 1. 單片機固件: 本系統(tǒng)中的單片機固件采用c語言編寫，使用keilc 51編譯器為開發(fā)工具。固件中主要完成對usb協(xié)議規(guī)定的諸多標準請求以及用戶自定義請求的響應(yīng);此外還包括控制adc0809芯片完成對模擬信號的轉(zhuǎn)換代碼，以及usb設(shè)備所需各種描述符的定義。 2. 主機設(shè)備驅(qū)動程序: usb外設(shè)的驅(qū)動程序只能為wdm(windowsd riverm odle)形式的驅(qū)動，課題中采用以ddk2000為開發(fā)工具，在vc6.0集成開發(fā)環(huán)境編寫，編譯時直接在ddk2000的dos窗口中編譯。 3. 用戶應(yīng)用程序: 應(yīng)用程序是采集到數(shù)據(jù)最終顯示、處理的地方。系統(tǒng)用戶應(yīng)用程序界面模仿傳統(tǒng)示波器的外形;以圖形的方式動態(tài)的顯示采樣數(shù)據(jù);具體的采樣數(shù)值也可以寫入“記事本”文件中，進而可以用其它專門軟件進行處理。 philips公司提供了pdiusbd1 2的開發(fā)包，包括軟件和硬件兩部分。為用戶使用該種型號的usb接口芯片進行設(shè)備開發(fā)提供一個基礎(chǔ)和工作平臺。 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的目的在于為實驗室現(xiàn)有的一套頻率特性測試儀的改進做前期工作。但系統(tǒng)應(yīng)用的潛力并不局限與此，比如在增加與被測信號相適應(yīng)的傳感器、采樣保持、濾波和隔離電路后系統(tǒng)可以方便的應(yīng)用于家庭醫(yī)療護理方面，可以用于對人體的心率、脈搏、體溫等參數(shù)的測試。在個人電腦逐步進入家庭的當今，這樣的系統(tǒng)應(yīng)當具有一定的應(yīng)用前景。第二章 usb概要設(shè)計2.1 usb傳輸要件1、端點端點是usb設(shè)備的一個部分，所有的傳輸都是將端點作為發(fā)出點或者接收點。通常情況下，設(shè)備端點是一個內(nèi)存區(qū)域，或者是控制芯片的一個緩存器，端點的作用是數(shù)據(jù)緩存。每個usb設(shè)備有一個唯一的地址，這個地址是在設(shè)備連上主機時由主機分配的，而設(shè)備中的每個端點在設(shè)備內(nèi)部有唯一的端點號，這個端點號是在設(shè)備設(shè)計時被給定的。端點號可以是015，方向可以是in（設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給主機）或者out（主機發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備）。每個設(shè)備必須將端點0設(shè)置為控制端點?？刂贫它c是雙向傳輸數(shù)據(jù)，其他端點都是單向數(shù)據(jù)傳輸。2、管道管道是設(shè)備端點和主機控制器之間的連接，在一個傳輸發(fā)生之前，必須首先建立一個管道。管道隨著主機和設(shè)備的連接的建立而建立，當移除設(shè)備時，管道也跟著被移除。每一個設(shè)備都會和主機建立一個默認的控制管道（default control pipe），此管道使用端口0。不同的傳輸類型使用不同的管道，此外管道還可以被分為消息管道（message pipe）和流管道（stream pipe）消息管道是指具有某種usb定義格式的數(shù)據(jù)流，是雙向的管道；而流管道則是不具有usb定義格式的數(shù)據(jù)流，不具有雙向性。控制傳輸是唯一使用雙向消息管道的傳輸，其他傳輸都是使用單方向的流管道。2.2 事務(wù)、信息包和聯(lián)絡(luò)信號每一個usb傳輸包含一個或多個事務(wù)，每一個事務(wù)又包含一到三個信息包。事務(wù)根據(jù)其數(shù)據(jù)流方向以及傳輸目的，可以分為3類：輸入、輸出與設(shè)置。每一個傳輸類型的傳輸包括一個或多個階段(stage)，一個階段即一種類型的事務(wù)。每個階段又可以分為一個或幾個相位（phase），相位包含幾個或兩個事務(wù)信息包。信息包是一個區(qū)塊的固定格式信息，每個信息包由一個信息包標示符（pid）開頭，作為信息包的識別。根據(jù)事務(wù)種類的不同，pid后面可能有端點地址、數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息，或者是一個在幀號碼、錯誤校驗位。在控制傳輸、批量傳輸和中斷傳輸中都有一個相位是聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)包，它包含的是聯(lián)絡(luò)信息。但是聯(lián)絡(luò)信號不是僅僅在聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)包中，有些數(shù)據(jù)信息包中也包含聯(lián)絡(luò)信號。usb定義的聯(lián)絡(luò)信號如下：ack(acknowledge)：表示主機或設(shè)備已成功接收數(shù)據(jù)。nak(negative acknowledge)：表示設(shè)備在忙中。stall：表示3種意義，即不支持的控制要求、控制要求失敗或端點失敗。nyet（not yet）：表示設(shè)備是否已準備好接收數(shù)據(jù)，只有高速設(shè)備使用。err（error）：表示在集線器和主機事務(wù)中，設(shè)備沒有傳回預期的聯(lián)絡(luò)信號。err只有在高速集線器完成事務(wù)分割時才會使用。2.3 usb的傳輸結(jié)構(gòu)usb的傳輸結(jié)構(gòu)描述的是各個類型usb傳輸?shù)臅r序、數(shù)據(jù)包和特征。下面分別介紹一下4種usb傳輸類型的傳輸結(jié)構(gòu)：1、控制傳輸控制傳輸用于在設(shè)備初次連接時對器件進行配置，以及對設(shè)備的狀態(tài)進行實時檢測，還有在設(shè)備配置完成后用于特殊傳輸目的。端點0只可以采用控制傳送的方式。每一個控制傳輸都必須有設(shè)置與狀態(tài)階段，數(shù)據(jù)階段則是選擇性的?？刂苽鬏?shù)脑O(shè)置事務(wù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1 控制傳輸結(jié)構(gòu)示意圖控制傳送的數(shù)據(jù)階段，由一個以上的輸入或輸出事務(wù)構(gòu)成，遵守和批處理傳送相同的協(xié)議規(guī)則。所有的數(shù)據(jù)階段里的事務(wù)都必須有相同的方向（即全部輸入或全部輸出）。在數(shù)據(jù)項中要發(fā)送的數(shù)據(jù)的數(shù)量和其方向在建立階段被指定。如果數(shù)據(jù)的數(shù)量超過了先前確定的數(shù)據(jù)包的大小，數(shù)據(jù)在支持最大的包大小的多個事務(wù)中被發(fā)送（輸入或輸出）。任何剩下的數(shù)據(jù)都作為剩余在最后的事務(wù)中被發(fā)送。2、批量傳輸批量傳輸包含一個或者多個傳輸事務(wù)，其傳輸是單方向的，即所有的事務(wù)都必須是輸入或輸出事務(wù)。如果需要雙向傳數(shù)據(jù)，需要另建立一個管道。批量傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖2-2所示：圖2-2 批量傳輸結(jié)構(gòu)示意圖3、中斷傳輸中斷傳輸適用于小批量的、點式、非連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的場合。中斷傳輸必須在指定的時間內(nèi)完成，它一般應(yīng)用于鼠標、鍵盤、游戲桿等hid（human interface device）類設(shè)備以及集線器的狀態(tài)報表中。中斷傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖2-3所示：圖2-3 中斷傳輸結(jié)構(gòu)示意圖4、同步傳輸同步傳輸?shù)囊饬x在于每一個幀或者微幀內(nèi)必須傳輸固定數(shù)目的字節(jié)數(shù)據(jù)，它適用于固定速度或者特定時間的傳輸。同步傳輸沒有聯(lián)絡(luò)階段，所以不能保證傳輸?shù)耐耆煽啃?。同步傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖2-4所示：圖2-4 同步傳輸結(jié)構(gòu)示意圖2.4 usb總線枚舉過程usb規(guī)范定義的設(shè)備狀態(tài)總共有6個，分別是連接（attached）、上電（powered）、默認（default）、地址（address）、配置（configured）和掛起（suspend）。usb總線枚舉過程中，usb設(shè)備需要經(jīng)歷后4種狀態(tài)。usb集線器負責監(jiān)測設(shè)備的連接情況，而usb主機會通過集線器輪詢地查詢設(shè)備。當主機發(fā)現(xiàn)一個新的設(shè)備時，會要求集線器建立與設(shè)備的通信通道，即設(shè)備的端點0，控制傳輸端點。之后，主機會通過此通道向設(shè)備發(fā)送一系列的標準usb 請求以獲取所需的信息，設(shè)備必須響應(yīng)這些請求并且采取適當?shù)膭幼鳌＿@個過程即稱為usb的總線枚舉?？偩€枚舉的過程如下： 設(shè)備連接usb設(shè)備通過usb總線與主機相連。 設(shè)備上電usb設(shè)備可以采用usb總線供電，也可以使用外部電源供電。 主機檢測到設(shè)備，進行復位設(shè)備連接到總線后，主機通過檢測設(shè)備在差分信號線的上拉電阻檢測到有新的設(shè)備連接，并獲釋該設(shè)備是全速設(shè)備還是低速設(shè)備，如果上拉電阻與d+線相連，則為全速設(shè)備，如果上拉電阻與d線相連，則為低速設(shè)備，主機確認有設(shè)備連接后，向該端口發(fā)送一個復位信號。 設(shè)備默認狀態(tài)設(shè)備收到一個復位信號后，連接到主機的所有設(shè)備的地址為默認地址（00h），主機會首先發(fā)送一個獲取設(shè)備描述符的請求，設(shè)備通過這個默認地址向主機發(fā)送第一次設(shè)備描述符。 地址分配當主機接收到有設(shè)備對默認地址（00h）來響應(yīng)的時候，就確認有設(shè)備連接，主機對設(shè)備分配一個空閑的地址（如02h），以后設(shè)備就只對02h地址進行響應(yīng)。 讀取usb設(shè)備描述符主機分配給設(shè)備地址后，通過這個地址主機讀取該設(shè)備描述符，確認usb設(shè)備的屬性。 設(shè)備配置主機依照讀取的usb設(shè)備描述符來進行配置，如果設(shè)備所需的usb資源得以滿足，主機就會查找驅(qū)動，當正確找到驅(qū)動后，主機給設(shè)備發(fā)送配置命令，配置完畢后，這個usb設(shè)備就枚舉成功了。 掛起為了節(jié)省電源，當總線保持空閑狀態(tài)超過3ms以后，設(shè)備驅(qū)動程序就會進入掛起狀態(tài)，在掛起狀態(tài)時，設(shè)備的消耗電流不超過500a。當被掛起時，usb設(shè)備保留了包括其地址和配置信息在內(nèi)的所有的內(nèi)部狀態(tài)。2.5 usb的設(shè)備描述符標準的usb描述符包括設(shè)備（device）描述符、配置（configuration）描述符、接口（interface）描述符、端點（endpoint）描述符以及字符串（string）描述符，字符串描述符不是必須的。不同的描述符從不同的層級來表示設(shè)備的屬性。設(shè)備描述符包含了整個設(shè)備的信息以及設(shè)備支持的配置號碼，每一個設(shè)備只能由一個設(shè)備描述符。但每一個設(shè)備可以有幾個配置描述符，它包含了電源管理信息以及所支持的接口號碼。接口描述符包含了與端點通信所需要的信息，它可以有零個或多個端點描述符。各個描述符的樹狀結(jié)構(gòu)如圖2-5所示：圖2-5 描述符的樹狀結(jié)構(gòu)設(shè)備描述符描述了一個usb設(shè)備的總體信息，它在枚舉過程中主機從設(shè)備讀取的第一個描述符。設(shè)備描述符總共有18個字節(jié)，分為14個字段。配置、接口以及端點描述符是在主機得到設(shè)備描述符之后發(fā)送給主機的。配置描述符描述了一個特定的設(shè)備配置信息，主機使用set_configuration請求來選擇一個配置，用get_configuration請求來返回一個配置。當主機請求獲取一個配置描述符的時候，與配置描述符相關(guān)的所有接口、端點描述符都會一并返回。配置描述符由9個字節(jié)組成，分為8個字段。接口描述符描述了一個配置中的特定接口。接口描述符總是作為配置描述符的一部分被返回，主機不能通過get_descriptor請求直接獲取接口描述符。接口描述符由9個字節(jié)組成，分為9個字段。端點描述符包含了主機用來確定一個端點帶寬要求的信息。除了端點0外，一個接口所使用的每一個端點都有它自己的描述符。端點0不需要描述符，它也不能直接由get_descriptor請求來獲得。端點描述符由7個字節(jié)組成，分為6個字段。2.6 usb請求usb規(guī)范定義了3種請求，分別是標準請求（standard request）、類請求（class request）和廠商請求（vendor request）。usb規(guī)范定義了11種標準請求，所有設(shè)備都必須對這11種請求作出響應(yīng)，即使當主機沒有給設(shè)備分配一個地址或者沒有配置設(shè)備。某些設(shè)備的功能類似或者提供類似的服務(wù)，usb協(xié)議就將它們歸為一類，并且定義了特定的請求，稱為類請求。但是只有類請求是不能滿足眾多usb廠商的需求的，所以，usb協(xié)議允許一個供應(yīng)商為它的設(shè)備自定義特殊的請求，此類請求稱為廠商請求。所有的usb總線設(shè)備以缺省控制管道響應(yīng)主機發(fā)出的請求，這些請求是通過控制傳輸來完成的，請求及請求的參數(shù)通過setup包發(fā)向設(shè)備，由主機負責設(shè)置setup包內(nèi)的每個域的值。setup包格式如表2-1所示。表2-1 setup包格式大?。╞）11222域bmrequesttypebrequestwvaluewindexwlength在表2.4.5.1中，bmrequesttype表示設(shè)備請求類型，d7：數(shù)據(jù)傳輸方向， 0主機到設(shè)備，1設(shè)備到主機；d65：類型，0標準，1類型，2廠商，3保留；d40：接收方，0設(shè)備，1接口，2端點，3其它；431保留。brequest表示usb設(shè)備請求值，標準請求有11個命令。wvalue為值，它根據(jù)不同的請求，以字節(jié)來定義，例如，設(shè)備請求為get descriptor(06h)，wvalue為01h時，表明要發(fā)送設(shè)備描述符。wlength表示長度，如果傳輸?shù)氖且唤M數(shù)據(jù)，則這個長度的值表示要傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。本章介紹了usb協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容，包括usb傳輸要件，usb傳輸中的事務(wù)、信息包和聯(lián)絡(luò)信號，usb的傳輸結(jié)構(gòu)，usb的總線枚舉過程，usb的設(shè)備描述符以及usb請求。本章為本設(shè)計下面內(nèi)容的展開奠定了基礎(chǔ)。第三章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計如前所述 ，usb系統(tǒng)中的通信主要由主機控制，這里的主機是指計算機硬件與軟件的結(jié)合體，不是單純的硬件。在開發(fā)usb的外圍設(shè)備時，需要有主機中主控制器對應(yīng)外設(shè)控制器和外設(shè)響應(yīng)軟件程序。其中硬件部分的收發(fā)器的作用是驅(qū)動和接收usb的差分數(shù)據(jù)，串行輸入引擎sie的作用是前端硬件和usb標準中相關(guān)規(guī)定的協(xié)議內(nèi)容，即包識別、數(shù)據(jù)編碼和譯碼、填充和去填充、crc錯誤校驗、數(shù)據(jù)串并和并串轉(zhuǎn)換等。協(xié)議引擎部分的主要作用是操作控制管道(端點0)的消息流、usb標準中相關(guān)內(nèi)容規(guī)定的最底層協(xié)議和數(shù)據(jù)接受與發(fā)送。3.1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于usb總線的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成包括模擬開關(guān)、a/d轉(zhuǎn)換器、單片機、usb接口芯片，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)8路數(shù)據(jù)自動采集，系統(tǒng)的組成框圖如圖3.1.1所示。主要包括5個組成部分：中央處理器選用at89c51芯片，完成各部分控制功能和usb傳輸協(xié)議；a/d轉(zhuǎn)換器和接口電路主要完成數(shù)據(jù)采集，并讀入mcu處理；復位電路完成對mcu的上電復位和電源電壓監(jiān)視；電源電路主要為各部分提供要求的電源；外設(shè)與主機間的通信電路采用usb接口。單片機通過8位并行接口傳送經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換的采集數(shù)據(jù)，存儲在fifo存儲器中。一旦存滿，串行接口引擎sie立刻對數(shù)據(jù)進行處理，包括同步模式識別、并串轉(zhuǎn)換、位填充/不填充、crc校驗、pid確認、地址識別以及握手鑒定，處理完畢后數(shù)據(jù)由模擬收/發(fā)器通過d+、d-發(fā)送至pc。上述過程遵循usb1.1協(xié)議?，F(xiàn)場電信號a / d轉(zhuǎn)換器usb接口芯片pc機mcu圖3-1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成框圖3.2 芯片選擇usb數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要由微控制器at89c51,a/d轉(zhuǎn)換芯片adc0809,usb接口芯片pdiusbdi2組成。在實際開發(fā)過程中使用usb d12 smart開發(fā)套件，使用其預留的擴展口在試驗板上搭建aid轉(zhuǎn)換電路，并對開發(fā)板電路進行相應(yīng)修改而實現(xiàn)此硬件系統(tǒng)。要實現(xiàn)一個usb設(shè)備，首先面對的問題就是選擇一種適合的usb控制芯片。從芯片大的構(gòu)架來分，市面上所有的usb控制器芯片可以分為不需要外接微控制器的芯片和需要外接微控制器的芯片。而不需要外接微控制器的芯片又可以分為專門為usb設(shè)計的芯片和嵌入通用微控制器內(nèi)核的芯片。1.專us設(shè)計的usb控制芯片 該類芯片是廠商為開發(fā)usb應(yīng)用設(shè)備而專門設(shè)計的，內(nèi)部用的是專用的cpu.較為典型的代表為cypress公司推出的cy7c63101a, cy7c63723、等等。 2.內(nèi)嵌通用微控制器的芯片 內(nèi)嵌通用微控制器的usb控制芯片可以說是在通用微控制器的基礎(chǔ)上擴展了usb功能。這些控制器芯片的優(yōu)點是開發(fā)者已經(jīng)熟悉了這些通用微控制器的結(jié)構(gòu)和指令集，所以開發(fā)起來救比較容易。即使用戶不熟悉這些芯片的結(jié)構(gòu)，但是介紹這些微控制器的書籍和關(guān)于他們的范例程序、開發(fā)工具等都可以作為設(shè)計時的參考。此類芯片的典型代表有:cypress公司的ezaru sb系列芯片(內(nèi)嵌80c186), atmel公司的at76c711(內(nèi)嵌atmel avr), siemens公司的c541u(內(nèi) 嵌80c51,8 0052)等等。 3.需外接微控制器的芯片 這些usb控制芯片只負責處理usb相關(guān)的通信工作，而且必須由外部微控制器的控制才能正常工作。如果選擇了這種設(shè)計方按，那么必須再選擇一個微控制器芯片，這樣就增加了設(shè)備的體積。但其優(yōu)點是用戶可以選擇任何一種己熟悉的微控制器，而且這種芯片價格也相對便宜。 3.2.1 adc0809adc0809允許的最大時鐘頻率為1280khz，主要管腳功能如下:地址輸入和控制線：4條 ale為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ale線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將a，b，c三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。a，b和c為地址輸入線，用于選通in0in7上的一路圖3-2 adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)模擬量輸入。 adc0809對輸入模擬量要求信號單極性，電壓范圍是05v，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 通道選擇表如下表3-1所示。表3-1cba選擇的通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7數(shù)字量輸出及控制線：11條 st為轉(zhuǎn)換啟動信號:當st上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行a/d轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，st應(yīng)保持低電平。eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當eoc為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行a/d轉(zhuǎn)換。oe為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；oe0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。d7d0為數(shù)字量輸出線。 vref（），vref（）為參考電壓輸入。clock: 時鐘輸入信號線。因adc0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500khz.start: 啟動脈沖輸入端。在時鐘脈沖頻率為640khz時，start脈寬應(yīng)大于100ns-200ns 。eoc: eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,當eoc為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行a/d轉(zhuǎn)換。d7-do: 轉(zhuǎn)換所得八位輸出數(shù)據(jù)，d7是最高位，而do是最低位。oe: 允許輸出端。oe端控制輸出鎖存器的三態(tài)門。當oe=1時，轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)出現(xiàn)在d7-do腳，當oe=0時d7-do腳對外是高阻抗。 adc0809應(yīng)用說明:（1）adc0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與at89c51單片機直接相連。 （2）初始化時，使st和oe信號全為低電平。 （3）送通道的地址到a、b、c端口上。 （4）在st端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)eoc信號來判斷。 （6）當eoc變?yōu)楦唠娖綍r，這時給oe為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。 3.2.2 at89c51at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperom falsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖3-3 at89c51管腳圖主要特性：(1)4k字節(jié)可編程flash存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))(2)全靜態(tài)工作：0hz-24khz(3)三級程序存儲器保密鎖定(4)128*8位內(nèi)部ram(5)32條可編程i/o線(6)兩個16位定時器/計數(shù)器(7)6個中斷源(8)可編程串行通道(9)低功耗的閑置和掉電模式(10)片內(nèi)振蕩器和時鐘電路3.2.3 pdiusbd12介紹pdiusbd12是一款性價比很高的usb器件，它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dma傳輸。這種實現(xiàn)usb接口的標準組件使得設(shè)計者可以在各種不同類型微控制器中選擇出最合適的微控制器。這種靈活性減小了開發(fā)的時間風險以及費用（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現(xiàn)最經(jīng)濟的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、海量存儲器件、通信器件、打印設(shè)備以及人機接口設(shè)備。同樣地，pdiusbd12理想地適用于許多外設(shè)，例如：打印機、掃描儀、外部的存儲設(shè)備、zip驅(qū)動器和數(shù)碼相機等等，它使得當前使用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)。此外它還集成了許多特性包括softconnettm、goodlinktm、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終止寄存器。集合所有這些特性都為系統(tǒng)顯著節(jié)約了成本，同時使usb功能在外設(shè)上的應(yīng)用變得容易。 d12芯片的主要特點包括：（1）符合usb1.1版本規(guī)范；（2）可與任何外部微控制器/微處理器實現(xiàn)高速并行接口(2mb/s)；（3）采用goodlink技術(shù)的連接指示器，在通信時使led閃爍；（4）主端點的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸；（5）在批量和等時模式下均可實現(xiàn)1mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率；（6）完全自治的直接內(nèi)存存取dma操作。pdiusbd12內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。圖3-4 pdiusbd12內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明：1、模擬收發(fā)器：集成的收發(fā)器接口可通過終端電阻直接與usb電纜相連。2、電壓調(diào)整器：片內(nèi)集成了一個3.3v的調(diào)整器用于模擬收發(fā)器的供電。該電壓還作為輸出連接到外部1.5k的上拉電阻?？蛇x擇pdiusbd12提供的帶1.5k內(nèi)部上拉電阻的軟件連接到外部1.5k內(nèi)部上拉電阻的軟件連接技術(shù)。3、pll鎖相環(huán)：片內(nèi)集成了6mhz時鐘乘法pll，這樣就可使用低成本的6mhz晶振，emi也隨之降低。pll的工作不需要外部元件。4、位時鐘恢復：位時鐘恢復電路使用4x過采樣規(guī)則，從進入的usb數(shù)據(jù)流中恢復時鐘，能跟蹤usb規(guī)定范圍內(nèi)的抖動和頻漂。5、philips串行接口引擎（psie）：psie實現(xiàn)了全部的usb協(xié)議層，且完全由硬件實現(xiàn)而不需要固件的參與。該模塊的功能包括：同步模式的識別；并行/串行轉(zhuǎn)換；位填充/解除填充；crc校驗/產(chǎn)生；pid校驗/產(chǎn)生；地址識別和握手評估/產(chǎn)生。6、softconnecttm：softconnecttm與usb的連接是通過1.5k上拉電阻將d（用于高速usb器件）設(shè)置為高實現(xiàn)的。1.5k上拉電陰集成在pdiusbd12片內(nèi)，默認狀態(tài)下不與v相連，其連接的建立是通過外部系統(tǒng)微控制器發(fā)送命令來實現(xiàn)的。這就允許系統(tǒng)微控制器在決定與usb建立連接之前完成初始化時序。usb總線連接可以重新初始化而不需要拔出電纜。pdiusbd12在連接可以建立之前會檢測usb規(guī)格的5%，但用于連接的vse電壓規(guī)格仍然有足夠的余量。softconnecttm是philips半導體一項尚未