【正文】 采用USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　  1 緒論 課題的提出及意義在工業(yè)生產(chǎn)和科研的各行業(yè)，常常利用PC或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集這其中有很多地方需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。現(xiàn)在常用的采集方式是數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有42485等總線(xiàn)板卡。采用板卡不僅安裝麻煩，容易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計(jì)算機(jī)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。在目前PC的IO模式中，外圍設(shè)備通常被映射為CPU的IO地址，并且被分配一個(gè)指定的IRQ(中斷請(qǐng)求)，在某些情況下也可以是一個(gè)DMA通道。這種地址分配的方法已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)，軟件開(kāi)發(fā)者要根據(jù)指定的設(shè)備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。這給編程者帶來(lái)了不便，同時(shí)消耗了PC的許多系統(tǒng)資源，使許多系統(tǒng)資源不可使用，并且產(chǎn)生了很多沖突，由此造成了很多問(wèn)題。根據(jù)調(diào)查顯示，70%的嚴(yán)重系統(tǒng)錯(cuò)誤和系統(tǒng)崩潰是由硬件沖突引起的。通用串行總線(xiàn)(Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱(chēng)USB)的出現(xiàn)，很好的解決了以上這些問(wèn)題。他不僅解決了I/O插口不夠的問(wèn)題，而且建立了一條連接和訪(fǎng)問(wèn)外設(shè)的方法。這些方法可以有效的減少總體成本，減少硬件沖突。因此，我們能夠利用USB總線(xiàn)接口比較容易的實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種采集系統(tǒng)由于采用了USB總線(xiàn)接口而具備了如下優(yōu)點(diǎn)：1)設(shè)備安裝和配置容易。USB設(shè)備支持即插即用，安裝USB設(shè)備不必再打開(kāi)機(jī)箱，加減已安裝過(guò)的設(shè)備，完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。所有USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)配置，不再占用中斷資源或者DMA資源，徹底拋棄了過(guò)去的跳線(xiàn)和撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置。USB為接纜和連接頭提供了單一模型，解決了外設(shè)越來(lái)越多造成的插槽緊張問(wèn)題。2)接口數(shù)目多，每個(gè)USB主機(jī)通過(guò)USB集線(xiàn)器，可以同時(shí)掛接最多127個(gè)外圍設(shè)備，有效地解決了多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I/O口不夠用的問(wèn)題。3)數(shù)據(jù)傳輸速度比一般的串行總線(xiàn)(如RS232，RS485等)快，可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。，最快可以達(dá)到480Mbps，可以滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。4)有總線(xiàn)電源保護(hù)，系統(tǒng)連續(xù)3ms沒(méi)有總線(xiàn)活動(dòng)，USB自動(dòng)進(jìn)入刮起狀態(tài)。 課題研究狀況USB在1995年被提出，并由Compaq、Digital Equipment Corp(現(xiàn)在屬于Compaq)、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Northern Tele七個(gè)計(jì)算機(jī)與通信工業(yè)領(lǐng)先的公司所組成的聯(lián)盟所定義和加以推廣。同一年，該聯(lián)盟建立了實(shí)施者論壇(以下簡(jiǎn)稱(chēng)USBIF)來(lái)加速USB標(biāo)淮的高質(zhì)量兼容設(shè)備的開(kāi)發(fā)。在1996年，這是第一個(gè)為所有的USB產(chǎn)品提出設(shè)計(jì)請(qǐng)求的標(biāo)淮。1998年，在進(jìn)一步對(duì)以前版本的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行闡述和擴(kuò)充的基礎(chǔ)上。之后，隨著USB的普及與推廣，USB的成員一直持續(xù)不斷地增加，如今已是非常龐大的推廣組織了。歷經(jīng)8年的發(fā)展，USB技術(shù)已經(jīng)非常成熟，也得到了lT業(yè)各硬件及件廠商的廣泛支持。尤其是Microsoft公司在其WIN98之后的操作系統(tǒng)中加強(qiáng)了對(duì)USB的系統(tǒng)支持后，USB總線(xiàn)迅速發(fā)展起來(lái)。目前，支持的最高速度達(dá)到了480Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一般并行總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速度。隨著USB總線(xiàn)的發(fā)展，USB總線(xiàn)接口在嵌入式系統(tǒng)以及個(gè)人電腦的外圍設(shè)備中的應(yīng)用發(fā)展非常迅速。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的市場(chǎng)上使用USB接口的數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、移動(dòng)硬盤(pán)、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等設(shè)備隨處可見(jiàn)。但是USB接口在工業(yè)控制領(lǐng)域、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及只能儀器儀表中的應(yīng)用還不多見(jiàn)。因此，我們提出了基于USB總線(xiàn)接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，是信息處理系統(tǒng)的最前端。它是以傳感器、信號(hào)測(cè)量與處理、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門(mén)綜合應(yīng)用技術(shù)，主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等作業(yè)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常需要對(duì)一些物理量進(jìn)行采集，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。在自動(dòng)飛行控制和航天器的遙測(cè)、遙控中以及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有很重要的地位。隨著大規(guī)模集成電路與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將在雷達(dá)、通信、水聲、遙感、語(yǔ)音處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)化以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展是人機(jī)交互、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制的基礎(chǔ)。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，尤其是PC機(jī)的出現(xiàn)，大大地促進(jìn)了工業(yè)自動(dòng)化的程度，現(xiàn)在越來(lái)越多設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和無(wú)人職守，而這一切又促進(jìn)了數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展。在科學(xué)技術(shù)研究的各行各業(yè)中，常常利用PC機(jī)或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。 本課題的主要內(nèi)容本課題的內(nèi)容按章節(jié)大致可以分為4個(gè)方面：(1) 了解基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究背景，提出課題的研究意義，指出了用USB接口相較于其他接口的優(yōu)勢(shì)：易實(shí)現(xiàn)、成本低、快速、兼容性強(qiáng)。另外還指出了USB接口和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。(2) 具體地從USB系統(tǒng)組成、USB的傳輸、USB的數(shù)據(jù)單元、USBOTG協(xié)議。(3) 提出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。對(duì)PC機(jī)與數(shù)據(jù)采集器的接口方式和USB控制芯片的選取進(jìn)行了分析，并說(shuō)明了選用USB 主控芯片PDIUSBD12和USB接口方式原因及其優(yōu)勢(shì)。同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了PDIUSBD12和單片機(jī)AT89C51的特性和功能。最后，闡述了數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。(4) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。詳細(xì)敘述別介紹低通濾波器電路、采樣保持電路、AT89C51和PDIUSBD12連接電路、USB接口硬件設(shè)計(jì)。2 USB軟件通信協(xié)議 USB系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)USB系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：主機(jī)和設(shè)備：是指USB系統(tǒng)中的主要構(gòu)件；物理構(gòu)成：是指USB元件的連接方法；邏輯構(gòu)成：不同的USB元件所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧拓?zé)任，以及從主機(jī)和設(shè)備的角度出發(fā)USB所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)；客戶(hù)軟件與設(shè)備功能接口的關(guān)系。實(shí)箭頭表示主機(jī)上的實(shí)際通信，設(shè)備上的相應(yīng)接口根據(jù)不同的儀器而不同。主機(jī)和設(shè)備間的通信最終發(fā)生在物理線(xiàn)路上，然而，在每一水平層之間存在著邏輯接口。主機(jī)中客戶(hù)程序軟件與設(shè)備功能間的通信代表了設(shè)備需求與設(shè)備能力之間的約定。其中USB系統(tǒng)軟件是由主控制器驅(qū)動(dòng)程序(HCD)、USB驅(qū)動(dòng)程序(USBD)和主機(jī)軟件組成。主控制器驅(qū)動(dòng)程序能夠更容易的將不同的主控制器設(shè)備影射到USB系統(tǒng)中，因此客戶(hù)可以在不知其設(shè)備連接在那個(gè)主控制器的情況下與設(shè)備相互作用。HCD與USBD間的接口叫HCDI，特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系統(tǒng)定義。通用主控制器驅(qū)動(dòng)器(UHCD)處于軟結(jié)構(gòu)的最底層，由它來(lái)管理和控制主控制器。USB主控制器定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硬件接口，以提供一個(gè)統(tǒng)一的主控制器可編程接口。UHCD實(shí)現(xiàn)了與USB主控制器通信和控制USB主控制器的一些細(xì)節(jié)，它對(duì)系統(tǒng)軟件的其它部分是隱蔽的。系統(tǒng)軟件中的更高層通過(guò)UHCD的軟件接口與主控制器通信。USB驅(qū)動(dòng)程序(USBD)位于UHCD之上，它提供驅(qū)動(dòng)器級(jí)的接口，滿(mǎn)足現(xiàn)有設(shè)備驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的要求。USBD所實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確細(xì)節(jié)隨不同操作系統(tǒng)環(huán)境而有所不同，但USBD在不同操作系統(tǒng)環(huán)境下完成的是一樣的工作。USBD以I/O請(qǐng)求包(IRPS)的形式提供數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)架，它由通過(guò)特定管道(PIPE)傳輸數(shù)據(jù)的需求組成?？蛻?hù)軟件位于軟件結(jié)構(gòu)的最高層，它負(fù)責(zé)處理特定USB設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器，客戶(hù)程序?qū)用枋隽怂兄苯幼饔糜谠O(shè)備的軟件入口。當(dāng)設(shè)備被系統(tǒng)檢測(cè)到時(shí)，這些客戶(hù)程序?qū)⒅苯幼饔糜谕鈬布?，這個(gè)共享的特性將USB系統(tǒng)軟件置于客戶(hù)和它的設(shè)備之間，也就是說(shuō)，一個(gè)客戶(hù)程序不能直接訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備硬件，而是根據(jù)USBD在客戶(hù)端形成的設(shè)備映像由客戶(hù)程序?qū)λM(jìn)行處理。 USB的數(shù)據(jù)傳輸方式雖然USB設(shè)備的軟硬件會(huì)自動(dòng)處理所有傳輸?shù)募?xì)節(jié)，但是如果想要設(shè)計(jì)USB設(shè)備，我們?nèi)匀恍枰獙?duì)接口的內(nèi)部工作原理有相當(dāng)程度的了解。每一次傳輸是由事務(wù)(transaction)所組成，每一筆事務(wù)都是由信息包(packet)所組成，每一個(gè)信息包則是包含傳輸?shù)男畔?。為了滿(mǎn)足不同外設(shè)和用戶(hù)的要求，USB提供了四種傳輸方式:控制傳輸(Control transfers)、塊傳輸(Bulk transfers)、中斷傳輸(Interrupt transrers)和等時(shí)傳輸(Isochronous transfers)。它們?cè)跀?shù)據(jù)格式、通信流方向、數(shù)據(jù)包容量限制、總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)限制、所要求的數(shù)據(jù)順序等方面有著各自不同的特征?？刂苽鬏斨饕糜诿?、控制、狀態(tài)操作(如獲取設(shè)備的設(shè)備描述符，設(shè)置設(shè)備的USB地址等，可以通過(guò)控制傳輸來(lái)定義自己對(duì)設(shè)備的控制操作，設(shè)置采樣參數(shù)、開(kāi)始或停止采樣等)，是由主機(jī)軟件發(fā)起的請(qǐng)求/響應(yīng)通信過(guò)程，具有突發(fā)性、非周期性的特點(diǎn)，每個(gè)USB設(shè)備都必須有控制傳輸?shù)耐ǖ馈K傳輸主要用于完成主機(jī)和設(shè)備之間的大批量數(shù)據(jù)傳輸，這種傳輸方式可以利用任何可用的帶寬進(jìn)行傳輸，或可以延遲到有可利用的帶寬時(shí)再進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)。由于塊傳輸在硬件級(jí)上對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)(若發(fā)生錯(cuò)誤，它支持“重傳”功能)，因此它能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。塊傳輸支持兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)傳輸(即主機(jī)到設(shè)備和設(shè)備到主機(jī))，適用于打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等不定期傳送大量數(shù)據(jù)的中速設(shè)備，具有非周期性和突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)。中斷傳輸用來(lái)完成設(shè)備到主機(jī)的少量數(shù)據(jù)傳輸，它只支持設(shè)備到主機(jī)方向數(shù)據(jù)傳輸(中斷傳輸與我們平常說(shuō)的“中斷”概念沒(méi)有任何聯(lián)系)，適用于人工輸入設(shè)備。具有數(shù)據(jù)量小、非周期性、低頻率、延時(shí)一定等特點(diǎn)。等時(shí)傳輸亦稱(chēng)同步傳輸，主要用于主機(jī)和設(shè)備與時(shí)間有關(guān)的信息傳輸，比如，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸(如多媒體、音、視頻數(shù)據(jù))。同步傳輸不對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，它主要保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，適用于實(shí)時(shí)性要求比較高的場(chǎng)合，具有周期性、連續(xù)性的特點(diǎn)。這種傳輸類(lèi)型保留了數(shù)據(jù)中時(shí)間壓縮的概念，但并不意味著這一類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸都是實(shí)時(shí)的。在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們可以采用其中的一種或幾種方式來(lái)設(shè)計(jì)我們的系統(tǒng)。 USB的數(shù)據(jù)單元USB的通信結(jié)