基于usb接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

[摘要]基于對串口通訊原理的分析和應(yīng)用，實現(xiàn)了單片 3.5USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計 3.5.1USB驅(qū)動程序的意義 參考文獻 隨著計算機領(lǐng)域和單片機領(lǐng)域的飛速發(fā)展，越來越多地的人采用單片機來制作一些工業(yè)控制系統(tǒng)。例如對溫度、壓力和流量等參數(shù)進行控制和監(jiān)測。相比于其他工具，單片機具有許多優(yōu)點。由統(tǒng)的監(jiān)控，這也是常用的一種通信方案。隨著USB接口技術(shù)的的成熟和使用的普及，和USB接口有成大勢所趨，單片機同PC機通過USB通信在實際工作中的應(yīng)用也將越來越廣。本文介紹的單片機和究如何實現(xiàn)PC機與單片機通過USB之間的通信具有非常重要的現(xiàn)實意義。通信是指計算機與外界信息的交換?；镜耐ㄐ欧绞桨ú⑿型ㄐ藕痛型ㄐ?。串行通信是指行傳輸，它的成本成本很低但是傳送速度卻快，其通信的距離可以從幾米到長達幾千米。不同的獨立系統(tǒng)利用線路互相交換數(shù)據(jù)這就是通信，它主要是把數(shù)據(jù)從一處傳送到另一處，實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交換。現(xiàn)代的工業(yè)控制常采用計算機作為上位機與下層設(shè)備連接來進行實時控制與監(jiān)通信因有結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)信息采集和控制等領(lǐng)1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計；設(shè)計主要包含以下兩個方面1）硬件設(shè)計：單片機及外圍電路設(shè)計，通信模塊的設(shè)計；2）軟件設(shè)計：單片機的采集程序和通信控制程序，PC機的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。通過上位機軟件和驅(qū)動程序的編寫實現(xiàn)以下功能：示界面上顯示出找到設(shè)備。2）完成上位機軟件的編寫，并可以在設(shè)備沒有連接時顯示連接錯誤。3）實現(xiàn)雙向傳輸。在上位機軟件中可以控制USB設(shè)備中的相應(yīng)顯示，同時可以接收到USB設(shè)備傳回的消息，并在顯示界面上顯示。達到一個PC機與USB設(shè)備信息的交互，完成通信。USB設(shè)備與主機之間進行連接和通信的操作稱為USB互聯(lián)，主要包括四個方面：1）總線的拓撲結(jié)構(gòu)，它是指USB設(shè)備與主機之間的各種連接；2）內(nèi)部層次關(guān)系，他是指USB分為許多層，執(zhí)行它的任務(wù)被分在其中；3）數(shù)據(jù)流模式，它是指數(shù)據(jù)通過USB接口從產(chǎn)生數(shù)據(jù)的地方到使用他的地方的流動方式；數(shù)據(jù)傳送。網(wǎng)絡(luò)集線器提供了更多的連接點；功能器件維系廳提供更多的功能，例如：揚聲器，數(shù)字游戲桿等。選用單片機作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。單片機具有資源豐富、速度快、編程容易等優(yōu)點。利用單片機內(nèi)部的隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）及其引腳資源，外接液晶顯示（LCD鍵盤輸入等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理傳輸和顯示功能，基本上能實現(xiàn)設(shè)計指標。位；標準性能的描述性信息。只有這樣才能更好地設(shè)計好電路。送一個設(shè)備描述符，然后USB設(shè)備通過讀取解碼后的數(shù)據(jù)包取出自己所需要的信息。通過這些信息判斷確定數(shù)據(jù)的傳輸方向，數(shù)據(jù)傳輸不是從主機到設(shè)備就是從設(shè)備到主機。傳輸一開始，通過讀取成為一個傳輸通道。他們通過通東進行數(shù)據(jù)傳輸，通道的類型與數(shù)據(jù)帶寬、端口特性等內(nèi)容有關(guān)。USB接口有四種傳輸方式。分別為控制方式、同步方式、中斷方式和大量。如果通過硬件來設(shè)計整個系統(tǒng)，那還要選擇一個適用的傳輸方式，而如果只是設(shè)計驅(qū)動程序，我們只需要弄清楚其采用了那種工作方式。通常由PC機控制設(shè)備的傳輸方式?？刂苽鬏敺绞娇梢赃M行雙向的傳輸,由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量通常比較小，所以主要用來進行數(shù)據(jù)的查詢、配置和給USB設(shè)備發(fā)送命令。它通常可以傳輸8、1供了確定的帶寬和時間間隔的方式。通常要求有恒定的數(shù)據(jù)傳輸率的即時傳輸中要用到它，也可以用于對時間要求嚴格和有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸中。例如，網(wǎng)絡(luò)電話、網(wǎng)絡(luò)視頻等，最好是用同步傳輸方式。在同步數(shù)據(jù)傳輸中通常要求有確定的帶寬和最大傳輸次數(shù)。同步傳輸看中的是即使數(shù)應(yīng)用于設(shè)備的中斷，主要用于定時檢測設(shè)備看看是否有中斷，然后響應(yīng)中斷進行數(shù)據(jù)的傳輸。它通速度慢、大量的數(shù)據(jù)被延時等時候用到它。接也可以和他的下端Hub連接。這種結(jié)構(gòu)最多接口的應(yīng)用，為我們和PC機的連接提供了很大方便。度以外還具有快速模式和超高速模式。這些模式通常可以應(yīng)用于一個系統(tǒng)中。低速模式的使用，主使用帶屏蔽的雙絞線，其使用的長度可以達到3m。由于電壓的關(guān)系，為了達到設(shè)備與終端的匹配，以提供信號電壓的穩(wěn)定，通常在每一個終端都使用了負載，以確保電壓信號的穩(wěn)定。通過這種帶負載的終端來檢測設(shè)備的連接與否，而且它還可以區(qū)分這個設(shè)備時運行在高速情況下還是低端情況下。功能部件功能部件主機控制器主機控制器USB總線接口上圖展示了主機和USB設(shè)備之間怎樣進行信息交流，他把主機和USB設(shè)備都分為三層，每一層都用來實現(xiàn)不同的功能，橫向?qū)舆M行邏輯信息的交流，總想進行實際的信息交流。但是有一層是例外，那就是主控制器和USB總線之間的信息交流，它也是進行著實際的信息交流。主機和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交流都是基于USB接口然后通過一根導(dǎo)線連接的。主機上客戶軟件和設(shè)備功能部件之間的通信是基于設(shè)備所能提供的能力。戶。USB總線接口是實現(xiàn)和設(shè)備的連接的端口，其作用是處理電氣及協(xié)議層的一邊設(shè)備與接口的互連。相比于USB設(shè)備總線接口，主機系統(tǒng)具有特殊性，它的總線接口上還必須具有主機控制器一邊HCD，HCD也可以連接一個或多個主機控制器。有些操作系統(tǒng)可能會允許設(shè)立USB驅(qū)動初始化。但不同的操作系統(tǒng)有不同的USB驅(qū)動初始化。在USB系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)會創(chuàng)建USB管理信息，創(chuàng)建的內(nèi)容包括缺省地址設(shè)備及它的標準通道。當一個設(shè)備與USB連接時，設(shè)備會響應(yīng)特殊的缺省地址，主機通過對它的識別、響應(yīng)，會付給他一個唯一的地址。在設(shè)備在剛連上總線時，為了保證USB系統(tǒng)能夠識別新的設(shè)備并進行進行通信，主機給USB設(shè)備的缺省地址必須是有用的。然后設(shè)備開始初始化，在初始化期間，主機通過識別設(shè)備會給設(shè)備一個唯一的地址。主機與USB設(shè)備通過USB接口連接的系統(tǒng)是一個通道。通道是主機與設(shè)備的邏輯結(jié)構(gòu)，改變通道的使用者通道的基本屬性不變。但是會對通道有一些影響，他們之間還是會存在一定性的差異。通道分為標準通道和其他通道。標準通道由USB驅(qū)動擁有和管理，然而其他的通道由USB驅(qū)動的客雖然一些客戶通過命令接口所傳遞的請求經(jīng)常有標準通道來完成，但是客戶還是不能直接訪問我設(shè)計的題目是基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于此我把我的設(shè)計分為了兩個方面和幾個小的方面。大的方面分為硬件電路的設(shè)計和軟件編程的設(shè)計。其中硬件方面又分為溫度采集電路和基序的設(shè)計用以實現(xiàn)USB接口的識別；再通過VisualStudio和WindowsDDK來編程實現(xiàn)系統(tǒng)的驅(qū)動程設(shè)計的過程中可能會用到各種模擬軟件和VB和C++等語言來實現(xiàn)程序的設(shè)計，實際完成后將實現(xiàn)，但單片機通過USB接口連接上PC機只后主機會顯示USB設(shè)備已連接，通過打開USB應(yīng)用程序來完成數(shù)據(jù)的傳送和接輸，界面上會顯示單簽的溫度并繪制溫度曲線。P0口是一個沒有上拉電阻的漏極開路三態(tài)I/O口所以使用它是需要加上拉電阻，而單總線的溫度傳感器通常需要加一個5k的電阻。通過程序的寫入，液晶顯示屏上將實現(xiàn)顯示溫度和時間（年、接口連接。連接圖如下:單片機的程序開發(fā)我們常用的是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，采用C語言編程。C語言是一種高級語言相比較踐和編程效率。而且他還有強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，他方便了我們警醒程序的檢錯和修改。最重要的是他聲稱目標代碼的效率非常高，而且容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體C語言的優(yōu)勢。對于Windows系統(tǒng)，我們常采用KeilC51的工具包中的UVision，進行開發(fā)，它可以完成編輯——>編譯——>連接——>調(diào)試——>仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員通過C語言的編程環(huán)境編寫源代碼。然后給他配備新的設(shè)備，通過對A／D轉(zhuǎn)換器的采樣；定時器的定時、計數(shù)；中斷源的控制來實現(xiàn)我們需要的功能。這里我們的目的是控制芯片PDIUSBD12接受并處理USB驅(qū)動程序的請求及應(yīng)用程序發(fā)出的控制指令來實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的采集和顯示。USB接口與設(shè)備進行數(shù)據(jù)陳述的過程是：USB控制器（PDIUSBD12）先從USB總線檢測看是否得與此次傳輸有關(guān)的各種參數(shù)，并根據(jù)具體的傳輸參數(shù)，對USB控制器的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進行相應(yīng)的操作，以完成主機的傳輸請求。流程圖如下:否是固件程序的設(shè)計實際上是為了單片機和PC機可以交流而設(shè)計的，它主要是為了讓PC機可以檢測和識別單片機這個設(shè)備。在這里我們常采用C語言編程來實現(xiàn)。通常他的設(shè)計與實現(xiàn)與硬件電路密不可分，它是軟硬件結(jié)合的結(jié)果。在設(shè)計過程中我們通常要寫入連接USB協(xié)議、中斷處理、寄存器的讀取等指令。固件程序一般放入MCU中，但我們完成這些后，連接設(shè)備和主機，主機上會顯示發(fā)現(xiàn)新的設(shè)備，然后建立連接。固件程序的設(shè)計是關(guān)系到我們能否連接上主機的關(guān)鍵，我們通過對它的設(shè)計可以學會USB通信的一般流程。USB固件程序大體上可以非為三部分：首先要初始化單片機的各個單元和所有的外圍電路（包括PDIUSBD12）；其次設(shè)計實現(xiàn)可以進行溫度的采集、傳送和顯示過程；最后也是最重要的，設(shè)計中斷服務(wù)程序，當主機發(fā)送命令請求時，PDIUSBD12接收請求并向單片機發(fā)出中斷命令，單片機要的命令字分為三種：初始化命令字、數(shù)據(jù)流命令字和通用命令字。PDIUSBD12數(shù)據(jù)手冊給出了各種命令的代碼和地址。單片機先給PDIUSBD12的命令地址發(fā)命令不同的數(shù)據(jù)。因此，可以將每種命令做成函數(shù)，用函數(shù)實現(xiàn)各個命令，以后直接調(diào)用函數(shù)即可。是否否是主流程圖是設(shè)備寫入估計按程序后，設(shè)備連接上主機后系統(tǒng)的響應(yīng)模式。設(shè)置為ON，這是為了確保在微處理器準備好服所以是很重要的。上圖為主循環(huán)流程。是否是否是否是否是否是否是DMA傳輸技術(shù)處理DMA傳輸技術(shù)處理否是否是中斷服務(wù)程序是PDIUSBD12響應(yīng)主機而產(chǎn)生的。他通過主機發(fā)送請求，指揮單片機產(chǎn)生中斷，單片機通過讀取從他傳過來的信息，判斷屬于哪種響應(yīng)，然后按相應(yīng)的響應(yīng)執(zhí)行操作。3.5USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計3.5.1USB驅(qū)動程序的意義USB外設(shè)之所以稱為USB外設(shè)是因為它能通過USB接口和主機通信，如果不能通信，納悶這個USB外設(shè)一點用也沒有。在Windows完全支持的USB設(shè)備中，人機接口設(shè)備就是其中典型的一種，其中應(yīng)用程序可以使用操作系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的驅(qū)動與人機接口設(shè)備通信。但與人機接口設(shè)備通信不同的是，它不是打開一個端口，設(shè)定幾個參數(shù)，然后就可以讀寫數(shù)據(jù)那么簡單，在應(yīng)用程序能與人機接口設(shè)備交換數(shù)據(jù)之前，它先要找到設(shè)備，獲取有關(guān)它的相關(guān)信息。為做到這些，應(yīng)用程序必須通過訪問通信API函數(shù)，使位于上層的應(yīng)用程序與位于下層的設(shè)備驅(qū)動程序進行數(shù)據(jù)交換。應(yīng)用程3.5.2USB驅(qū)動程序的概述設(shè)備驅(qū)動程序是一個軟件組件，屬于軟件與硬件之間為他們之間的溝通橋梁的軟件。首先，必利用DriverStudio編寫設(shè)備驅(qū)動程序，因為它生成的代碼是C風格，可以包裝形式類似的應(yīng)用，如在USB的概念，一個USB設(shè)備設(shè)置有一些相同的設(shè)備屬性。通常這些設(shè)備歸為一組，以提供基于主機的設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)。幀的設(shè)備規(guī)格的裝置，設(shè)備，屬于作業(yè)類的定義。設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)可以從分離設(shè)備制造商規(guī)范開始。硬件開發(fā)和硬件制造商可以專注于他們，而軟件開發(fā)人員可以專注于開發(fā)自己的軟件和驅(qū)動程序，但所有的USB設(shè)備必須符合USB協(xié)議，設(shè)備也必須符合接口沒有定義該類設(shè)備。由于本設(shè)備的應(yīng)用方式上不同，所以它是許多常見的摘要非常困難，因此設(shè)備驅(qū)動程序提供主要的操作系統(tǒng)和硬件接口，支持用戶和應(yīng)用需求信息流。由于對數(shù)據(jù)處理有要求的用戶，驅(qū)動程序必須現(xiàn)在比數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受更多的工作。為設(shè)備驅(qū)動程序的編寫，我們1）支持即插即用(PNP)和電源管理。也就是說，外部設(shè)備可以添加或刪除系統(tǒng)中的操作，操作驅(qū)動程序的支持，相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的能耗和設(shè)備工作。設(shè)備對象不需要直接和USB控制器交互信息。這個協(xié)議能測量和管理消耗在本地或者是網(wǎng)絡(luò)中客戶機上的資源信息，WDM驅(qū)動程序必須支持4）支持類驅(qū)動程序/微驅(qū)動程序分層結(jié)構(gòu)。用windows32驅(qū)動模式驅(qū)動程序使用的分層結(jié)構(gòu)，以及其他相關(guān)的驅(qū)動程序，接收裝置提供服務(wù)的驅(qū)動，也可以驅(qū)動發(fā)送IRP請求其它。WDM驅(qū)動程序采用分層處理的方法，用戶不需要直接和硬件打交道，只需要訪問硬件提供的底層驅(qū)動接口。（虛擬設(shè)備驅(qū)動程序）的I/O使屏蔽控制端口操作，必須模擬硬操作方便，直接應(yīng)用。內(nèi)核模式驅(qū)動程序包含許多子分支，這個分支，PNP驅(qū)動程序是用來管理的驅(qū)動程序管理。和微驅(qū)動器提供供應(yīng)商特定的驅(qū)動在一類設(shè)備；顯示驅(qū)動器顯示和打印的內(nèi)核驅(qū)額外的驅(qū)動程序內(nèi)核驅(qū)動程序控制的硬件設(shè)備，包括那些在以前版本的WindowsNT驅(qū)動程序的開通過這次畢業(yè)設(shè)計使我了解到單片機的應(yīng)用面廣，功能強大，使用方便，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機械設(shè)備和生產(chǎn)過程的各個方面。仍然處于不斷的發(fā)展之中其功能不斷增強，更為開放。編程軟件技術(shù)更是工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域不可缺少的一部分，單片機仍然處于不斷的發(fā)展之中其功能不斷爭強，更為開放，它不但是單機自動化中應(yīng)用最廣泛的控制設(shè)備，在大型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也占有不可動搖的地位。使我對單片機的應(yīng)用有了更好的了解和認識，在課程設(shè)計過程中不僅鞏固了我們的基礎(chǔ)理論知識，而且使我們各個方面的能力都有很大的提高。從一開始的無從下手，資料的整理，在到老師的幫助下，無疑是對我們查閱資料的能力、設(shè)計報告的能力、電腦繪圖等能力的很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結(jié)合，開發(fā)、設(shè)計產(chǎn)品的能力的進一步在課程設(shè)計中使我學會了很多，也對自己的能力有了進一步的提高，為以后的學習和工作加強。在設(shè)計過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時發(fā)現(xiàn)一個問題的時候，需要做大量的工作，花大量的時間才能解決。為以后的工作積累了經(jīng)驗，增強了信心。既讓我們懂得了怎樣把理論應(yīng)用于實際，又讓我和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)。其次，調(diào)試是項目開發(fā)的難點。理論上的東西，是別人總結(jié)出來的東西，因此非常抽象，跟實踐相比往往省略了許多細節(jié)，而項目開發(fā)有時候就是根據(jù)抽象的理論，來重新實現(xiàn)細節(jié)。但很多理論問題的實現(xiàn)不是一次就能成功的，這就需要調(diào)試，定位問題的所在，解決問題。調(diào)試的時候經(jīng)驗非常重要，并且經(jīng)驗與能力的增長是相輔相成的。如果某個問題在時就一定知道了，就可以直接得到正確的結(jié)論。這里還要掌握調(diào)試手段，像在程序中添加了一些串口打印語句，就會影響程序的正確運行等問題的解決，如果完全憑借資料，是很難解決的。在設(shè)計的寫作和制作過程中，我的指導(dǎo)教師劉東傾注了大量的心血，從選題到開題報告，從寫作提綱，到一遍又一遍地指出每稿中的具體問