【正文】 第一章 緒論 課題背景 隨著數(shù)字化的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集也越來越重要，傳統(tǒng)的外設(shè)與主機(jī)的通信口一般采用 ISA、 PCI、 C PCI、 1394等標(biāo)準(zhǔn)，基于這些接口的產(chǎn)品，安裝麻煩，價(jià)格昂貴，并受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址中斷資源限制，且可擴(kuò)展性差， USB的出現(xiàn)，很好地解決了以上問題。 USB作為一種新型的串口通信標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的傳輸速率，可擴(kuò)展性好，采用總線供電，使用靈活。它共有 4種傳輸模式：控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、批量傳輸，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。 信息技術(shù)與電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(biāo)。 USB通訊技術(shù)的出現(xiàn)，使高傳輸速度、強(qiáng)糾錯能力、易擴(kuò)展性、方便的即插即用，有機(jī)的結(jié)合在一起。 USB設(shè)備需要依據(jù) USB協(xié)議進(jìn)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?yàn)闃蛄?。?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(shí)現(xiàn)與 Windows系統(tǒng)底層核心機(jī)制相交互的功能。 盡管 RS232 是一種十分成熟且應(yīng)用廣泛的通訊方式，但是隨著控制系統(tǒng)的 日益復(fù)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(shí)間并不長，但是由于它的種種優(yōu)點(diǎn)，被越來越多的廠商和用戶所接受，出現(xiàn)了 USB 打印機(jī)、攝像頭等產(chǎn)品。盡管目前USB 接口的應(yīng)用主要集中在電腦的周邊外設(shè)，但是 USB 產(chǎn)品進(jìn)入工控領(lǐng)域?qū)⑹潜厝坏内厔荨?采用 Cypress 公司的 CY7C68013 芯片和 89C51 單片機(jī)設(shè)計(jì)的基于 USB總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有可靠性高、數(shù)據(jù)不丟失、抗干擾性強(qiáng)、便于數(shù)據(jù)傳輸和處理等優(yōu)點(diǎn)，可在信號測試、信號采集場合廣泛使用。 所以本課題的研 究是具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義的 。 USB 簡介 通用串行總線 (Universal Serial Bus，簡稱 USB)是康柏、微軟、 IBM， DEC等公司為了解傳統(tǒng)總線的不足推出的一種新型串行總線接口規(guī)范， 自 1995 年在Comdex 上亮相以來至今己廣泛地為各 PC 廠家所支持。現(xiàn)在生產(chǎn)的 PC 機(jī)幾乎都配備了， USB接口， Microsoft 的 windows98， NT 以及 MacOS， Linux， FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對 USB的支持。 USB 的主要特點(diǎn)如下 : 1. 速度快。 USB 有全速和低速兩 種方式，主模式為全速模式，速率為12Mbps，從而使一些要求高速數(shù)據(jù)的外設(shè)，如 :高速硬盤、攝像頭等，都能統(tǒng)一到同一個總線框架下。另外為了適應(yīng)一些不需要很大吞吐量但是有很高實(shí)時(shí)性要求的設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤、游戲桿等， USB 還提供低速方式，速率為 。如表 11 所示。新推出的 協(xié)議提供最高達(dá) 480Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率可以適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)。 表 11 USB使用分類表 性能 應(yīng)用 特性 低速 交互設(shè)備 1020kb/s 鍵盤、鼠標(biāo)、游戲棒 低價(jià)格、熱插拔、易用性 中速 電話、音頻、壓縮視頻 500kb/s10Mb/s ISBN、 PBX、 POTS 低價(jià)格、易用性、動態(tài)插拔、限定帶寬和延遲 高速 音頻、磁盤 25500Mb/s 音頻、磁盤 高帶寬、限定延遲、易用性 2. 支持熱插拔和即插即用。 所有的 USB 設(shè)備可以隨時(shí)的插入和拔離系統(tǒng)， USB 主機(jī)能夠動態(tài)的識別設(shè)備的狀態(tài)，并自動給接入 的設(shè)備分配地址和配置參數(shù)，添加、刪除設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)，也不必像過去那樣需要手動跳線和撥碼開關(guān)來設(shè)置新的外設(shè)。 3. 易于擴(kuò)展。 USB使用的是一種易于擴(kuò)展的樹狀結(jié)構(gòu)，通 過 使用 USB Hub擴(kuò)展可連接多達(dá) 127個外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn) USB電纜長度為 3米 (低速為 5米 )。通過 Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到 30米。 4. 使用靈活。 USB共有 4種傳輸模式 :控制傳輸 (control)， 步傳輸(synchronization)、中斷傳輸 (interrupt)、批量傳輸 (bulk)， 適應(yīng)不同設(shè)備的需要。 5. 能夠采用總線供電。 普通使用串口、并口的設(shè)備都需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)，而 USB設(shè)備則不需要，因?yàn)?USB接口提供了內(nèi)置電 源 e USB電源能向低壓設(shè)備提供最大 5V， 500mA 的電源，從而降 低 了這些設(shè)備的成本并提高了性價(jià)比。 6. 實(shí)現(xiàn)成本低。 USB對系統(tǒng)與 PC的集成進(jìn)行了優(yōu)化，適合于 開發(fā)低成本的外設(shè)。 本文設(shè)計(jì)的基于 USB總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正是充分地利用 了 USB 總線的上述優(yōu)點(diǎn)，從而有效地解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺陷。很方便地就能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高可靠性、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采 集，適用于對瞬態(tài)信號進(jìn)行采集和處理。 本論文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在單片機(jī) 89C51控制下進(jìn)行數(shù)據(jù) 采集，并通過 Cypress公司的 EZUSB FX2單片機(jī) CY7C68013上傳給 PC機(jī)進(jìn)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(jī) 89C51和 USB接口芯片 CY7C68013為主的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，并在此設(shè)計(jì)的 基礎(chǔ)上給出相應(yīng)的原理圖。硬件設(shè)計(jì)主要解決的是 CY7C68013與單片機(jī)的接口電路的設(shè)計(jì)。 軟件設(shè)計(jì)可分為三部分 :一是充分了解 D12的主要功能特點(diǎn)，為滿足 CY7C68013在 USB上的最大傳輸速率而編寫固件程序，用 C51語言編 寫 :二是在充分了解 WDM驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上編寫 USB的設(shè)備驅(qū)動 程序 ； 三是編寫出界面友好、具有強(qiáng)大 的數(shù)據(jù)處理和分析能力的應(yīng)用 程序。 第二章 USB協(xié)議 體系概述 USB體系一般分為三部分 :USB 主機(jī) (USB HOST), USB 集線器 (usB HUB), USB 設(shè)備 (USB DEVICE). USB 是一種層狀的星形拓?fù)?，其根部是主控制器?USB 器件直接與根部接口連接實(shí)現(xiàn)其功能。若多個器件同時(shí)需要連到主控制器上，只需用集線器 (HUB)來擴(kuò)展。如下圖所示 (圖中的 NODE 代表 USB 設(shè)備 ): 圖 21 USB 體系圖 圖 21 USB 體系圖 USB主機(jī)可以看作是一個硬件、固件和軟件的結(jié)合體，是 USB 通信的中心。它控制和分時(shí)連接各個器件，是唯一可利用系統(tǒng)資源的部件。主機(jī)功能如下 : .檢測 USB 設(shè)備的安裝和拆卸 。 .管理在主機(jī)和 USB 設(shè)備之間的控制流 。 .管理在主機(jī)和 USB 設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流 。 .收集狀態(tài)和動作信息 。 .提供能量給連接的 USB 設(shè)備。 主機(jī)上 USB的系統(tǒng)軟件管理 USB設(shè)備和主機(jī)上該設(shè)備軟件之間的相互作用， USB 系統(tǒng)軟件與設(shè)備軟件間有五種相互作用方式 : .設(shè)備編號和設(shè)置 。 .同步數(shù)據(jù)傳輸 。 .異步數(shù)據(jù)傳輸 。 .電源管理 。 .設(shè)備和總線管理信息。 只要可能， USB系統(tǒng)軟件就會使用目前的主機(jī)軟件接口來管理上述幾種方式。 USB集線器，可讓不同性質(zhì)的設(shè)備連接在 USB 上，連接點(diǎn)稱作端口。每個集線器將一個連接點(diǎn)轉(zhuǎn)化成許多的連接點(diǎn)。并且該體系結(jié)構(gòu)支持多個集線器的連接。每個集線器的上游端口向主機(jī)方向進(jìn)行連接。每個集線器的下游端口允許連接另外的集線器或功能部件，集線器可檢測每個下游端口的設(shè)備的安裝或拆卸，并可對下游端口的設(shè)備分配能源，每個下游端口都具有獨(dú)立的能 力，不論高速或低速設(shè)備均可連接。集線器可將低速和高速端口的信號分開。 一個集線器包括兩部分 :集線控制器 (Controller)和集線放大器 (Repeater).集線放大器是一種在上游端口和下游端口之間的協(xié)議控制開關(guān)，而且硬件上支持復(fù)位、掛起、喚醒的信號。集線控制器提供了接口寄存器用于與主機(jī)之間的通信，而且集線控制器允許主機(jī)對其特定狀態(tài)和控制命令進(jìn)行設(shè)置，并監(jiān)視和控制其端口。 USB設(shè)備是帶有 USB 接口并可以完成特定功能的外設(shè)，它通過 USB 總線進(jìn)行發(fā)送接收數(shù)據(jù)和控制信息，用一根電纜連接在集線器的 某個端口上。一個物理單元中可以有多個功能部件和一個內(nèi)置集線器，并利用一根 USB 電纜，這通常被稱為復(fù)合設(shè)備，即一個集線器連向主機(jī)，并有一個或多個不可拆卸的 USB 設(shè)備連在其上。 每個 US B 設(shè)備都包含設(shè)置信息，來描述該設(shè)備的性能和所需資源。主機(jī)要 在功能部件使用前對其進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置信息包括 USB 帶寬分配，選擇設(shè)備的設(shè) 置信息等。目前 USB 設(shè)備是 USB 總線中發(fā)展最快的部分，常見 USB 外設(shè)有 :鼠標(biāo)或光筆、鍵盤等。 USB的互連 一個 USB 系統(tǒng)主要被定義為三個部分： USB 的互連； USB 的設(shè)備； USB 的主機(jī)。 USB 的互連是指 USB 設(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行連接和通信的操作，主要包括以下幾方面： 總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： USB 設(shè)備與主機(jī)之間的各種連接方式； 內(nèi)部層次關(guān)系：根據(jù)性能疊置， USB 的任務(wù)被分配到系統(tǒng)的每一個層次； 數(shù)據(jù)流模式：描述了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中通過 USB 從產(chǎn)生方到使用方的流動方式； USB的調(diào)度： USB提供了一個共享的連接。對可以使用的連接進(jìn)行了調(diào)度以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，并且避免的優(yōu)先級判別的開銷。 總線拓樸結(jié)構(gòu)包括四個重要的組成部分 。 主機(jī)和設(shè)備： USB 系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分。 物理拓樸結(jié)構(gòu)：描述 USB 系統(tǒng)中的各組成部分是如何連接起來的。 邏輯拓樸結(jié)構(gòu)：描述 USB 系統(tǒng)中各種組成部分的地位和作用，以及描述從主機(jī)和設(shè)備的角度觀察到的 USB 系統(tǒng)。 客戶軟件層與應(yīng)用層的關(guān)系：描述從客戶軟件層看到的應(yīng)用層的情況，以及從應(yīng)用層看到的客戶軟件層的情況。 USB 系統(tǒng)中的設(shè)備與主機(jī)的連接方式采用的是星形連接， 如圖 21。 圖 2— 1 USB 物理總線的拓?fù)? 圖 中的 Hub 是一類特殊的 USB 設(shè)備，它是一組 USB的連接點(diǎn)，主機(jī)中有一個被嵌入的 Hub 叫根 Hub(root Hub)。主機(jī)通過根 Hub 提供若干個連接點(diǎn)。為了防止環(huán)狀連接，采用星形連接來體現(xiàn)層次性，如圖 45。這種連接的形狀很像一棵樹。 用于提供具體功能的設(shè)備叫應(yīng)用設(shè)備。許多不同功能的設(shè)備放在一起被看作一個整體，叫包。例如，鍵盤和軌跡球可以被視作一個整體，在它的內(nèi)部，提供具體功能的設(shè)備被永久地接到 Hub上，而這個 Hub被接到 USB上。所有這些設(shè)備及這個 Hub被看作一個復(fù)合設(shè)備，而這個 Hub又被看作這個復(fù)合 設(shè)備的內(nèi)部 Hub。在主機(jī)看來，這個復(fù)合設(shè)備和一個帶著若干設(shè)備的單獨(dú) Hub是一樣的。圖中也標(biāo)出了一個復(fù)合設(shè)備。 總線邏輯拓樸結(jié)構(gòu)。 在物理結(jié)構(gòu)上，設(shè)備通過 Hub連到主機(jī)上。但在邏輯上，主機(jī)是直接與各個邏輯設(shè)備通信的，就好像它們是直接被連到主機(jī)上一樣。這個邏輯關(guān)系如圖 22所示。與之對應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)就是圖 21中的結(jié)構(gòu)。 Hub也是邏輯設(shè)備，但在圖 22中，為了簡化起見，未被畫出，雖然 USB系統(tǒng)中的工作都是從邏輯角度來看待的，但主機(jī)必須對物理結(jié)構(gòu)有個了解。例如，在處理 Hub被移去的情況時(shí)，當(dāng)一個 Hub被移出，通過它與 主機(jī)相連的設(shè)備也應(yīng)一起被移去，這是由其物理結(jié)構(gòu)決定的。 邏輯設(shè)備 邏輯設(shè)備 邏輯設(shè)備 主機(jī) 復(fù)合設(shè)備 設(shè)備 設(shè)備 設(shè)備 設(shè)備 設(shè)備 設(shè)備 主機(jī) HUB HUB 根 HUB 圖 22 USB邏 輯總線的拓?fù)? 客戶軟件層與應(yīng)用層的關(guān)系 USB 系統(tǒng)的物理上、邏輯上的拓樸結(jié)構(gòu)反映了總線的共享性。操縱 USB應(yīng)用設(shè)備的客戶軟件只關(guān)心設(shè)備上與它相關(guān)的接口，客戶軟件必須通過USB 軟件編程接口來操縱應(yīng)用設(shè)備。這與另一些總線如 PCL， ELSA， PCMUA等不同，這些總線是直接訪問內(nèi)存或 I/O的。在運(yùn)行中，客戶軟件必須獨(dú)立于 USB 上的其它設(shè)備。這樣，設(shè)備和客戶軟件的設(shè)計(jì)者就可以只關(guān)心該設(shè)備與主機(jī)硬件的相互作用和主機(jī)軟件的相互 作用的細(xì)節(jié)問題。圖 23 說明了在圖 22 的邏輯結(jié)構(gòu)下，一個設(shè)備設(shè)計(jì)者看到的客戶軟件與相應(yīng)應(yīng)用的關(guān)系的視圖。 圖 23客戶軟件和應(yīng)用間的關(guān)系 USB的主機(jī) USB主機(jī)概述 圖 24展示了 USB 通信模型之間基本的信息流與互連關(guān)系： 圖 24 通信模型層次關(guān)系圖 由圖 24 可見，主機(jī)與設(shè)備都被劃分成不同的層次。主機(jī)上垂直的箭頭是實(shí)際的信息流。設(shè)備上對應(yīng)的接口是基于不同實(shí)現(xiàn)的。在主機(jī)與設(shè)備之間的所有通信最終都是