【正文】 12連接電路、USB接口硬件設計。對PC機與數(shù)據(jù)采集器的接口方式和USB控制芯片的選取進行了分析，并說明了選用USB 主控芯片PDIUSBD12和USB接口方式原因及其優(yōu)勢。 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：易實現(xiàn)、成本低、快速、兼容性強。隨著大規(guī)模集成電路與計算機科學技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術將在雷達、通信、水聲、遙感、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動化以及生物醫(yī)學工程等眾多領域得到廣泛的應用。數(shù)據(jù)采集是信息科學的一個重要分支，是信息處理系統(tǒng)的最前端。隨著USB總線的發(fā)展，USB總線接口在嵌入式系統(tǒng)以及個人電腦的外圍設備中的應用發(fā)展非常迅速。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。 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七個計算機與通信工業(yè)領先的公司所組成的聯(lián)盟所定義和加以推廣。2)接口數(shù)目多，每個USB主機通過USB集線器，可以同時掛接最多127個外圍設備，有效地解決了多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)I/O口不夠用的問題。這種采集系統(tǒng)由于采用了USB總線接口而具備了如下優(yōu)點：1)設備安裝和配置容易。通用串行總線(Universal Serial Bus，簡稱USB)的出現(xiàn)，很好的解決了以上這些問題。在目前PC的IO模式中，外圍設備通常被映射為CPU的IO地址，并且被分配一個指定的IRQ(中斷請求)，在某些情況下也可以是一個DMA通道。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 采用USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設計畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。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或工控機對各種數(shù)據(jù)進行采集這其中有很多地方需要對各種數(shù)據(jù)進行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。這種地址分配的方法已經(jīng)成為一種標準，軟件開發(fā)者要根據(jù)指定的設備進行訪問。他不僅解決了I/O插口不夠的問題，而且建立了一條連接和訪問外設的方法。USB設備支持即插即用，安裝USB設備不必再打開機箱，加減已安裝過的設備，完全不用關閉計算機。3)數(shù)據(jù)傳輸速度比一般的串行總線(如RS232，RS485等)快，可以滿足絕大多數(shù)多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。同一年，該聯(lián)盟建立了實施者論壇(以下簡稱USBIF)來加速USB標淮的高質量兼容設備的開發(fā)。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。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。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。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。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。同時簡單介紹了PDIUSBD12和單片機AT89C51的特性和功能。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?，以及從主機和設備的角度出發(fā)USB所呈現(xiàn)的結構；客戶軟件與設備功能接口的關系。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)?。一般情況下，USB設備必須支持的標準請求有11個命令，對應的代碼和說明如表24所列。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。集線器會自動轉換外圍設備的速度。在2001年，USB開發(fā)者論壇(USB Implementers Forum，USBIF)(OnTheGo)。由于日益增加的便攜式外設都使用USB接口和PC機進行通信，因此如果能實現(xiàn)這些設備相互之間的通信將會帶來很大的方便，但是USB的某些規(guī)范使之實現(xiàn)起來有困難，尤其是USB通信只發(fā)生在一個主機和一個外設之間。它允許一個便攜式設備成為一個USB主機，而不需要支持一個PC主機的所有功能。：雙重功能設備:允許設備以主機和外設兩種形式工作。點到點的通信能力建立在定義好的結構上，允許在主機和從機之間的轉換。從這些介紹中可以看出，適用于大多數(shù)中低速設備；，并增加了一些新的特性，速度可高達480Mb/s，使得原來USB不能用于視頻的傳輸也可以實現(xiàn)；以上這兩種協(xié)議雖然可以滿足大多數(shù)系統(tǒng)的需要，但在實際的通信過程中必須有主機的參與，離開了主機，設備便不可工作；而USBOTG的出現(xiàn)正是為了解決這個問題，而不是一個獨立規(guī)范。串行口不同于并行口之處在于它的數(shù)據(jù)和控制信息是一位接一位串行地傳送下去。（3）ISA總線ISA總線是工業(yè)標準結構總線，又稱為AT總線。（4）PCI總線PCI總線是Intel公司推出的外圍設備互連總線，是另一種局部總線規(guī)范PCI總線具嚴格的規(guī)范，保證了它具有良好的兼容性，符合PCI規(guī)范的擴展卡可插入任何PCI系統(tǒng)可靠地工作。但PCI總線主要用于提高系統(tǒng)的性能。由于USB的熱插拔特性，使得它的使用很方便，而且與串口、并口相比，USB的速度也快得多。USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps。USB設備支持即插即用，安裝UBS設備不必再打開機箱，加減已安裝過的設備完全不用關閉計算機。通過使用Hub擴展，可接多達127個外設。USB總線提供最大達5V，500mA電流，對于功耗較小的設備來說這是非常有效的。而不需要外接微控制器的芯片又可以分為專門為USB設計的芯片和嵌入通用微控制器內(nèi)核的芯片。這些控制器芯片的優(yōu)點是開發(fā)者已經(jīng)熟悉了這些通用微控制器的結構和指令集，所以開發(fā)起來救比較容易。如果選擇了這種設計方按，那么必須再選擇一個微控制器芯片，這樣就增加了設備的體積。此類芯片的典型代表有：Philips公司的PDIUSBD1Netchip公司的NET2888芯片、National 。微控制器分離的接口器件是開發(fā)USB設備較為快捷、經(jīng)濟的選擇。VDD、GND、D+、D一四引腳與USB電纜的下游插座相連，其中VDD與GND之間的5V電壓可為設備提供電源；D+和D一為信號線。芯片中串行輸入引擎(SIE)模塊起著至關重要的作用，主要完成所有的USB協(xié)議層功能，例如同步模式識別、并/串轉換、位填充/去填充、CRC檢驗/產(chǎn)生、包PID產(chǎn)生/確認、地址識別、握手信號包響應/產(chǎn)生。這樣外圍處理器可以處理USB不連接時的工作狀態(tài)。ALE管腳與單片機的ALE管腳相連，此時可以把八位數(shù)據(jù)端口作為地址/數(shù)據(jù)復用總線使用。如果配置為同步式(只能進行中斷或者塊傳輸)，則分IN和OUT兩個方向；如果配置為等時IN/OUT模式，也有兩個方向。全部支持12時鐘和6時鐘操作，包含128字節(jié)和256字節(jié)RAM、32條I/O口線、3個16位定時/計數(shù)器、6輸入4優(yōu)先級嵌套中斷結構、1個串行I/O口(可用于多機通信I/O擴展或全雙工UART)，以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。掉電模式保存RAM的內(nèi)容，但是凍結振蕩器，導致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。Vcc電源：提供掉電、空閑、正常工作電壓。當作為輸入腳時，被外部拉低的Pl口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流。當使用8位尋址方式(MOVRi)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口發(fā)送P2特