【正文】 操作系統(tǒng)定義。主機(jī)和設(shè)備間的通信最終發(fā)生在物理線路上，然而，在每一水平層之間存在著邏輯接口。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 35 頁(yè) 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 軟件與設(shè)備功能接口的關(guān)系。同時(shí)簡(jiǎn)單介紹 了 PDIUSBD12 和單片機(jī) AT89C51 的特性和功能。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。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)。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。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、鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備隨處可見(jiàn)。 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。在 1996 年， USBIF 公布了 USB 規(guī)范 ，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。在 PC 主機(jī)和采集系統(tǒng)都 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 35 頁(yè) 具備支持 標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片時(shí)，最快可以達(dá)到 480Mbps，可以滿足高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。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)去的跳線和撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置。這些方法可以有效的減少總體成本，減少硬件沖突。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。現(xiàn)在常用的采集方式是數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有 42 485 等總線板卡。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。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。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。因此，我們能夠利用 USB 總線接口比較容易的實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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。 4)有總線電源保護(hù)，系統(tǒng)連續(xù) 3ms 沒(méi)有總線活動(dòng)， USB 自動(dòng)進(jìn)入刮起狀態(tài)。 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，發(fā)布了 USB 標(biāo)準(zhǔn)的 規(guī)范。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 總線迅速發(fā)展起來(lái)。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)。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。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 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 35 頁(yè) 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。 (2) 具體地從 USB 系統(tǒng)組成、 USB 的傳輸、 USB 的數(shù)據(jù)單元、 USB 的設(shè)備請(qǐng)求等方面討論了 、 、 USBOTG 協(xié)議。最后，闡述了 數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)。 整個(gè) USB 系統(tǒng)通信模塊具體的參考模型如圖 所示 圖 通信模塊具體的參考模型 從圖 中可以看出 USB 通信的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)。主機(jī)中客戶程序軟件與設(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。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 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，滿足現(xiàn)有設(shè)備驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)設(shè)備被系統(tǒng)檢測(cè)到時(shí)，這些客戶程序?qū)⒅苯幼饔糜谕鈬布?，這個(gè)共享的特性將 USB 系統(tǒng) 軟件置于客戶和它的設(shè)備之間，也就是說(shuō)，一個(gè)客戶程序不能直接訪問(wèn)設(shè)備硬件，而是根據(jù) USBD 在客戶端形成的設(shè)備映像由客戶程序?qū)λM(jìn)行處理。它們?cè)跀?shù)據(jù)格式、通信流方向、數(shù)據(jù)包容量限制、總線訪問(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。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)。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)。所有的數(shù)據(jù)通訊過(guò)程都可以歸結(jié)為三種包的傳輸：令牌包、數(shù)據(jù)包和應(yīng)答包，這些包都是由不同的域組成的，格式如表 21 所示。主機(jī)和所有的外設(shè)都必須對(duì)接收到的 PID 域進(jìn)行解碼，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤或者解碼為未定義的值，那么這個(gè)包就會(huì)被接收者忽略，如果外設(shè)接收到一個(gè) PID，它所指明的操作類型或者方向不被支持，外設(shè)將不做出響應(yīng)。一旦外 設(shè)被復(fù)位或上電，外設(shè)的地址被缺省為 0，這時(shí)必須在主機(jī)枚舉過(guò)程中被賦予一個(gè)唯一的地址。 .端點(diǎn)域：附加的 4 位的端點(diǎn) (ENDP)字段允許對(duì)那些需要不只一個(gè)子信道的功能部件進(jìn)行更靈活的尋址。對(duì)于低速 (Low Speed)設(shè)備，每個(gè)功能部件最多提供 3 個(gè)管道：在端口 0 的控制管道加上 2 個(gè)附加管道 (或是 2 個(gè)控制管道，或是 1 個(gè)控制管道和 1個(gè)中斷端口，或是 2 個(gè)中斷端口 )。 數(shù)據(jù)域 (Data)：數(shù)據(jù)字段可以在 0 到 1， 023 字節(jié)之間變動(dòng)，但必須是整數(shù)個(gè)字節(jié)。 CRC 也必須滿足位填充的要求，這意味著如果前 6 位都是 1的話，就必須在 CRC 的最后插入一個(gè)零。 (2)數(shù)據(jù) CRC 數(shù)據(jù) CRC 是作用于數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)字段上的 16 位多項(xiàng)式。所有的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求都是使用默認(rèn)管道來(lái)傳輸?shù)摹? 表 24 USB 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求 bmRequestType bRequest wValue wIndex wLength Data 00000000B 00000001B 00000010B CLEAR_FEATURE 特性選擇符 0 接口號(hào) 端點(diǎn)號(hào) 0 無(wú) 10000000B GET_CONFIGURATION 0 0 1 配置值 10000000B GET_DESCRIPOTR 描述表種類和索引 零或語(yǔ)言標(biāo)志 描述表長(zhǎng) 描述表 偏移量 域 大小 值 描述 0 bmRequestType 1 位圖 請(qǐng)求特征： D7：傳輸方向 0=主機(jī)至設(shè) 1=設(shè)備至主 D6..5：種類 0=標(biāo)準(zhǔn) 1=類 2=廠商 3=保留 D4..0：接受者 0=設(shè)備 1=接口 2=端點(diǎn) 3=其他 1 bRequest 1 數(shù)值 USB 設(shè)備請(qǐng)求 2 wValue 2 值 字長(zhǎng)域，根據(jù)不同的請(qǐng)求含義改變 4 wIndex 2 索引和偏移 字長(zhǎng)域，根據(jù)不同的請(qǐng)求含義改變。 使用描述符使得單個(gè)配置 的特性存儲(chǔ)變得簡(jiǎn)明，因?yàn)槊總€(gè)配置可能會(huì)重復(fù)使用其它有相同特性的配置描述符的部分或全部，用這種方法，描述符用一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)表繪一個(gè)個(gè)的單獨(dú)數(shù)據(jù)記錄。它用來(lái)配置設(shè)備，一個(gè)設(shè)備只能 有一個(gè)設(shè)備描述符。一個(gè)設(shè)備接口包含一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)描述符。但是，如果一個(gè)設(shè)備無(wú)字符串描 述符，所有其它描述符中有關(guān)字符串描述符的索引都必須為 0。原來(lái)的預(yù)測(cè)是希望提高到 20 倍的傳輸速度，實(shí)際上達(dá)到了 40 倍的傳輸速度 (480Mb/s)。 Device_Qualifier 描述符：當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)換速度時(shí)候，設(shè)備描述符中的某些字段可能改變。Other_Speed_Configuration 描述 符的附屬描述符與設(shè)備配置描述符相同。 兼容的主機(jī)與集線器，同時(shí)也能夠與 的外圍設(shè)備溝通。但這些設(shè)備都是由一個(gè)主計(jì)算機(jī)來(lái)管理所有的通信，外圍設(shè)備不能夠直接彼此溝通。 USB 己經(jīng)成為了一種 PC 和外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)的常用接口。為了滿足這些限制要求，便攜式 USB 的應(yīng)用是作為 規(guī)范的補(bǔ)充發(fā)展起來(lái)的。這個(gè)補(bǔ)充規(guī)范并不單是為便攜式電子設(shè)備制定的，其同樣適用于 PC 機(jī)的外設(shè)或任何非便擠式設(shè)備。 USBOTG 是一種點(diǎn)到點(diǎn)的通信標(biāo)準(zhǔn)，其仍然保持在任何時(shí)候都有主機(jī) /從機(jī)。 本章小結(jié) 本節(jié)簡(jiǎn)要地從 USB 系統(tǒng)組成、 USB 的傳輸、 USB 的數(shù)據(jù)單元、 USB 的設(shè)備請(qǐng)求等方面討論了 、 、 USBOTG 協(xié)議。通過(guò)分析五種接口方式我決定選擇 USB 接口方式，下面是各接口方式的優(yōu)缺點(diǎn)： （ 1） RS232 串行接口： 串行接口是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的常用接口，現(xiàn)在的 PC 機(jī)一般至少有兩個(gè)串行口。 （ 2） 并行接口： 目前，計(jì)算機(jī)中的并行接口主要作為打印機(jī)端口，并行接口是在多根數(shù)據(jù)線上以字節(jié)為單位與輸入 /輸出設(shè)備或被控對(duì)象傳輸信息的，這樣數(shù)據(jù)傳送速度大大提高，且并行傳送的信息不要求固定的格式，但并行傳送的距離受到限制，因?yàn)榫嚯x增加，干擾就會(huì)增加，容易出錯(cuò)。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展， ISA 總線逐漸被淘汰，目前市場(chǎng)上大多 PC 機(jī)主板已經(jīng)沒(méi)有 ISA 插槽。 PCI 總線還具有良好的擴(kuò)展性，通過(guò) PCI 橋路，可允許無(wú)限地?cái)U(kuò)展。而一種新的總線接口方式 USB，則是對(duì)其它總線接口技術(shù)揚(yáng)長(zhǎng)避短的產(chǎn)物。 USB 主要有以下優(yōu)點(diǎn) : 速度快。 設(shè)備安裝和配置容易。 易于擴(kuò)展。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 共 35 頁(yè) 能夠采用總線供電。從芯片大的構(gòu)架來(lái)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。 （ 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(shuō)是在通用微控制器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了 USB功能。 （ 3）需外接微控制器的 芯片： 這些 USB 控制芯片只負(fù)責(zé)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。另外還需要一個(gè)中斷引腳，當(dāng)接口芯片收到或者是發(fā)送完 USB 總線數(shù)據(jù)時(shí)，這個(gè)中斷引腳會(huì)向微控制器發(fā)出中斷信號(hào)。 這種實(shí)現(xiàn) USB 接口的標(biāo)準(zhǔn)組件，可以使設(shè)計(jì)者在各種不同類型微控制器中進(jìn)行選擇，最大限度的利用已有的設(shè)備和開(kāi)發(fā)環(huán)境。引腳 CS_N 即為該芯片的片選信號(hào)引入端。在一般情況下其該芯片可達(dá)到 2Mbit /S 的傳輸速率。由于 USB 的即插即用，實(shí)際電路的工作會(huì)帶來(lái)芯片工作狀態(tài)不定的負(fù)面影響，因此在芯片的 EOT 管腳連接一個(gè) 1 千歐姆的上拉電阻到外接電源，同時(shí)連接一個(gè) 1 兆歐姆的下拉電阻到地。 GL_N 管腳通過(guò)一個(gè)上拉電阻接 LED， LED 的點(diǎn)亮和熄滅可以顯示當(dāng)前設(shè)備 USB 是否正在傳輸和設(shè)備是否正常。端點(diǎn) 2(主端點(diǎn) )的數(shù)據(jù)傳輸方向有處理器模塊通過(guò)“ Set Mode”命令配置。由先進(jìn) CMOS 工藝制造并帶有非易失性 Flash 程序存儲(chǔ)器?？臻e模式凍結(jié) CPU，但 RAM、定時(shí)器、串口和中斷系統(tǒng)仍然工作。 AT89C51 的管腳排列如下： 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 共 35 頁(yè) 圖 AT89C51 的管腳排列 說(shuō)明： Vss 接地。 P1(P10 一 P17)： Pl 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口 ，向 P1 口寫入 1 時(shí)， P1 口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)時(shí)，分別作為地址高位字節(jié)和 16 位地址(MOVXDPTR)，此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉傳送 1。 P3 口還具有以下特殊功能： 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 共 35 頁(yè) RxD(P30)串行輸入口 TxD(P31)串行輸出口 INT0(P32)外部中斷 0 INT1(P33)外部中斷 T0(P34)定時(shí)器 0 外部輸入 Tl(P35)定時(shí)器 1 外部輸入 WR (P36)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫信號(hào) RD(P37)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào) RST 復(fù)位：當(dāng)晶振在運(yùn)行中只要復(fù)位管腳出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平即可復(fù)位，內(nèi)部有擴(kuò)散電阻連接到 Vss，僅需要外接一個(gè)電容到 Vcc 即可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。 PSEN 程 序存儲(chǔ)使能：當(dāng)執(zhí)