【正文】 操作系統(tǒng)定義。主機和設備間的通信最終發(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)采集器硬件設計 第 5 頁 共 35 頁 2 USB 軟件通信協(xié)議 USB 系統(tǒng)構成 一個 USB 系統(tǒng)由以下幾部分構成： 主機和設備：是指 USB 系統(tǒng)中的主要構件； 物理構成：是指 USB 元件的連接方法； 邏輯構成：不同的 USB 元件所擔當?shù)慕巧拓熑危约皬闹鳈C和設備的角度出發(fā)USB 所呈現(xiàn)的結構； 客戶 軟件與設備功能接口的關系。同時簡單介紹 了 PDIUSBD12 和單片機 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)采集技術的發(fā)展是人機交互、狀態(tài)監(jiān)測、設備控制的基礎。它是以傳感器、信號測量與處理、微型計算機等技術為基礎而形成的一門綜合應用技術，主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等作業(yè)，具有很強的實用性。計算機外圍設備的市場上使用 USB 接口的數(shù)碼相機、掃描儀、移動硬盤、鼠標、鍵盤等設備隨處可見。 歷經(jīng) 8 年的發(fā)展， USB 技術已經(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 ，這是第一個為所有的 USB 產(chǎn)品提出設計請求的標淮。在 PC 主機和采集系統(tǒng)都 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設計 第 3 頁 共 35 頁 具備支持 標準的接口芯片時，最快可以達到 480Mbps，可以滿足高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。所有 USB 設備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進行自動配置，不再占用中斷資源或者 DMA 資源，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關設置。這些方法可以有效的減少總體成本，減少硬件沖突。這給編程者帶來了不便，同時消耗了 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，由此造成了很多問題?，F(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)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。采用板卡不僅安裝麻煩，容易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制不可能掛接很多設備。根據(jù)調查顯示， 70%的嚴重系統(tǒng)錯誤和系統(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現(xiàn)低成本、高可靠性的多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。USB 為接纜和連接頭提供了單一模型，解決了外設越來越多造成的插槽緊張問題。 4)有總線電源保護，系統(tǒng)連續(xù) 3ms 沒有總線活動， USB 自動進入刮起狀態(tài)。 1998 年，在進一步對以前版本的標準進行闡述和擴充的基礎上，發(fā)布了 USB 標準的 規(guī)范。尤其是 Microsoft 公司在其 WIN98 之后的操作系統(tǒng)中加強了對 USB 的系統(tǒng)支持后， USB 總線迅速發(fā)展起來。但是 USB 接口在工業(yè)控制 領域、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及只能儀器儀表中的應用還不多見。在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中經(jīng)常需要對一些物理量進行采集，為提高產(chǎn)品質量、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 機的出現(xiàn)，大大地促進了工業(yè)自動化的程度，現(xiàn)在越來越多 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設計 第 4 頁 共 35 頁 設備實現(xiàn)了自動控制和無人職守，而這一切又促進了數(shù)據(jù)采集技術的發(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 的設備請求等方面討論了 、 、 USBOTG 協(xié)議。最后，闡述了 數(shù)據(jù)采集器的設計 實現(xiàn)。 整個 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)流結構。主機中客戶程序軟件與設備功能間的通信代表了設備需求與設備能力之間的約定。通用主控制器驅動器 (UHCD)處于軟結構的最底層，由它來管理和控制主控制器。 USB 驅動程序 (USBD)位于 UHCD 之上，它提供驅動器級的接口，滿足現(xiàn)有設備驅動器設計的要求。當設備被系統(tǒng)檢測到時，這些客戶程序將直接作用于外圍硬件，這個共享的特性將 USB 系統(tǒng) 軟件置于客戶和它的設備之間，也就是說，一個客戶程序不能直接訪問設備硬件，而是根據(jù) USBD 在客戶端形成的設備映像由客戶程序對它進行處理。它們在數(shù)據(jù)格式、通信流方向、數(shù)據(jù)包容量限制、總線訪問限制、所要求的數(shù)據(jù)順序等方面有著各自不同的特征。塊傳輸支持兩個方面的數(shù)據(jù)傳輸 (即主機到設備和設備到主機 )，適用于打印機、調制解調器等不定期傳送大量數(shù)據(jù)的中速設備，具有非周期性和突發(fā)性強的特點。同步傳輸不對傳輸數(shù)據(jù)進行錯誤檢測，它主要保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，適用于實時性要求比較高的場合，具有周期性、連續(xù)性的特點。所有的數(shù)據(jù)通訊過程都可以歸結為三種包的傳輸：令牌包、數(shù)據(jù)包和應答包，這些包都是由不同的域組成的，格式如表 21 所示。主機和所有的外設都必須對接收到的 PID 域進行解碼，如果出現(xiàn)錯誤或者解碼為未定義的值，那么這個包就會被接收者忽略，如果外設接收到一個 PID，它所指明的操作類型或者方向不被支持，外設將不做出響應。一旦外 設被復位或上電，外設的地址被缺省為 0，這時必須在主機枚舉過程中被賦予一個唯一的地址。 .端點域：附加的 4 位的端點 (ENDP)字段允許對那些需要不只一個子信道的功能部件進行更靈活的尋址。對于低速 (Low Speed)設備，每個功能部件最多提供 3 個管道：在端口 0 的控制管道加上 2 個附加管道 (或是 2 個控制管道，或是 1 個控制管道和 1個中斷端口，或是 2 個中斷端口 )。 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，但必須是整數(shù)個字節(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 位多項式。所有的標準設備請求都是使用默認管道來傳輸?shù)摹? 表 24 USB 標準設備請求 bmRequestType bRequest wValue wIndex wLength Data 00000000B 00000001B 00000010B CLEAR_FEATURE 特性選擇符 0 接口號 端點號 0 無 10000000B GET_CONFIGURATION 0 0 1 配置值 10000000B GET_DESCRIPOTR 描述表種類和索引 零或語言標志 描述表長 描述表 偏移量 域 大小 值 描述 0 bmRequestType 1 位圖 請求特征： D7：傳輸方向 0=主機至設 1=設備至主 D6..5：種類 0=標準 1=類 2=廠商 3=保留 D4..0：接受者 0=設備 1=接口 2=端點 3=其他 1 bRequest 1 數(shù)值 USB 設備請求 2 wValue 2 值 字長域，根據(jù)不同的請求含義改變 4 wIndex 2 索引和偏移 字長域，根據(jù)不同的請求含義改變。 使用描述符使得單個配置 的特性存儲變得簡明，因為每個配置可能會重復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，描述符用一個關系數(shù)據(jù)庫來表繪一個個的單獨數(shù)據(jù)記錄。它用來配置設備，一個設備只能 有一個設備描述符。一個設備接口包含一個或多個端點描述符。但是，如果一個設備無字符串描 述符，所有其它描述符中有關字符串描述符的索引都必須為 0。原來的預測是希望提高到 20 倍的傳輸速度，實際上達到了 40 倍的傳輸速度 (480Mb/s)。 Device_Qualifier 描述符：當設備轉換速度時候，設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備配置描述符相同。 兼容的主機與集線器，同時也能夠與 的外圍設備溝通。但這些設備都是由一個主計算機來管理所有的通信，外圍設備不能夠直接彼此溝通。 USB 己經(jīng)成為了一種 PC 和外設之間交換數(shù)據(jù)的常用接口。為了滿足這些限制要求，便攜式 USB 的應用是作為 規(guī)范的補充發(fā)展起來的。這個補充規(guī)范并不單是為便攜式電子設備制定的，其同樣適用于 PC 機的外設或任何非便擠式設備。 USBOTG 是一種點到點的通信標準，其仍然保持在任何時候都有主機 /從機。 本章小結 本節(jié)簡要地從 USB 系統(tǒng)組成、 USB 的傳輸、 USB 的數(shù)據(jù)單元、 USB 的設備請求等方面討論了 、 、 USBOTG 協(xié)議。通過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： （ 1） RS232 串行接口： 串行接口是微機應用系統(tǒng)的常用接口，現(xiàn)在的 PC 機一般至少有兩個串行口。 （ 2） 并行接口： 目前，計算機中的并行接口主要作為打印機端口，并行接口是在多根數(shù)據(jù)線上以字節(jié)為單位與輸入 /輸出設備或被控對象傳輸信息的，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，因為距離增加，干擾就會增加，容易出錯。但是隨著計算機技術發(fā)展， ISA 總線逐漸被淘汰，目前市場上大多 PC 機主板已經(jīng)沒有 ISA 插槽。 PCI 總線還具有良好的擴展性，通過 PCI 橋路，可允許無限地擴展。而一種新的總線接口方式 USB，則是對其它總線接口技術揚長避短的產(chǎn)物。 USB 主要有以下優(yōu)點 : 速度快。 設備安裝和配置容易。 易于擴展。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設計 第 17 頁 共 35 頁 能夠采用總線供電。從芯片大的構架來分，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。 （ 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上擴展了 USB功能。 （ 3）需外接微控制器的 芯片： 這些 USB 控制芯片只負責處理 USB 相關的通信工作，而且必須由外部微控制器的控制才能正常工作。另外還需要一個中斷引腳，當接口芯片收到或者是發(fā)送完 USB 總線數(shù)據(jù)時，這個中斷引腳會向微控制器發(fā)出中斷信號。 這種實現(xiàn) USB 接口的標準組件，可以使設計者在各種不同類型微控制器中進行選擇，最大限度的利用已有的設備和開發(fā)環(huán)境。引腳 CS_N 即為該芯片的片選信號引入端。在一般情況下其該芯片可達到 2Mbit /S 的傳輸速率。由于 USB 的即插即用，實際電路的工作會帶來芯片工作狀態(tài)不定的負面影響，因此在芯片的 EOT 管腳連接一個 1 千歐姆的上拉電阻到外接電源，同時連接一個 1 兆歐姆的下拉電阻到地。 GL_N 管腳通過一個上拉電阻接 LED， LED 的點亮和熄滅可以顯示當前設備 USB 是否正在傳輸和設備是否正常。端點 2(主端點 )的數(shù)據(jù)傳輸方向有處理器模塊通過“ Set Mode”命令配置。由先進 CMOS 工藝制造并帶有非易失性 Flash 程序存儲器?？臻e模式凍結 CPU，但 RAM、定時器、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)采集器硬件設計 第 21 頁 共 35 頁 圖 AT89C51 的管腳排列 說明： 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， P1 口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。在訪問外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)時，分別作為地址高位字節(jié)和 16 位地址(MOVXDPTR)，此時通過內(nèi)部強上拉傳送 1。 P3 口還具有以下特殊功能： 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設計 第 22 頁 共 35 頁 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)定時器 0 外部輸入 Tl(P35)定時器 1 外部輸入 WR (P36)外部數(shù)據(jù)存儲器寫信號 RD(P37)外部數(shù)據(jù)存儲器讀信號 RST 復位：當晶振在運行中只要復位管腳出現(xiàn) 2 個機器周期高電平即可復位，內(nèi)部有擴散電阻連接到 Vss，僅需要外接一個電容到 Vcc 即可實現(xiàn)上電復位。 PSEN 程 序存儲使能：當執(zhí)