【正文】 D+線，通知主機外設(shè)位全速模式設(shè)置。另外 PDUISBD12 芯片所獨有的 Sotf Connect功能非常實用，能使外部的 USB 設(shè)備隨時可以重新初始化。 INT_N 引腳需與外部微控制器的中斷引腳相連，用于在接口芯片收到或者發(fā)送完畢USB 總線數(shù)據(jù)時通知微控制器進入相應(yīng)的中斷處理。 PDUISBD12 芯片符合 協(xié)議；內(nèi)部集成 T320B 的FIFO(先進先出 )儲存器；支持總線供電 (從主機 USB 插槽獲得電源 )或設(shè)備自供電；提供GoodLink 指示器，在設(shè)備正確枚舉、配置后使 LED 持續(xù)點亮，數(shù)據(jù)傳輸時則閃爍；該芯片具有 SOP28 及 TSSOP28 兩種封裝形式。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 18 頁 共 35 頁 綜合考慮現(xiàn)有工作環(huán)境、資料收集情況和價格等因素，本課題采用了需要外接微控制器的 PDIUSBD12 芯片作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 USB 控制芯片。但其優(yōu)點是用戶可以選擇任何一種自己熟悉的微控制器，而且這種芯片價格也相對便宜。即使用戶不熟悉這些芯片的結(jié)構(gòu)，但是介紹這些微控制器的書籍和關(guān)于他們的范例程序、開發(fā)工具等都可以作為設(shè)計時的參考。 （ 1）專為 USB 設(shè)計的 USB 控制芯片： 該類芯片是廠商為開發(fā) USB 應(yīng)用設(shè)備而專門設(shè)計的，內(nèi)部用的是專用的 CPU。 通過分析我們可以看出使用 USB 接口是最適合我們這個設(shè)計的要求。標準 USB 電纜長度為 3m(5m低速 )，通過 Hub 或中繼器可以使外設(shè)距離達到 30m 使用靈活。所有 USB 設(shè)備支持熱插拔，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(guān)設(shè)置。另外為了適應(yīng)一些 不需要很大吞吐量和很高實時性的設(shè)備，如鼠標等， USB 還提供低速方式，速率為 12Mbps。我們可以很方便地對其作一些特殊處理或是更改設(shè)置，使用非常方便。 （ 5） 通用串行總線 (USB) 上述總線接口雖各具優(yōu)點，但也都有其難以克服的缺點。 PCI 總線與 CPI 無關(guān)，與時鐘頻率亦無關(guān)，可適各種平臺， 支持多處理器和并發(fā)工作 。它的數(shù)據(jù)寬度 16 位，工作頻率8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率 6MB/S，處理器的高速度和總線的低速度不同步，造成硬盤、圖形卡和其它外設(shè)只能通過一個慢速且狹窄的瓶頸發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使 CPU 的高性能 受到了嚴重的影響。由于 PC機的限制，其最高數(shù)據(jù)傳輸率不超過 115KbpS，同時傳輸?shù)木嚯x也不會超過 15 米，且PC 機上的串口數(shù)目也很有限。 USBOTG協(xié)議實現(xiàn)了無主機參與的數(shù)據(jù)通信，可以實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)通信，而無須主機的介入，在嵌入式領(lǐng)域必將有廣闊的應(yīng)用前景。點到點的連接方式并不僅限制在同種類的產(chǎn)品之間，不同類的產(chǎn)品也能相互連接，這使得便攜式設(shè)備的發(fā)展有了更加廣闊的空間。 主機處理協(xié)議 (HNP： Host Negotiation Protocol)：用于轉(zhuǎn)換 USB 主機和外設(shè)功能； 會話請求協(xié)議 (SRP： Session Request Protocol)：完成與主機 的會話； 更具節(jié)能性的電源管理：除了小功率和大功率之外，增加了微功率選擇。 這個補充規(guī)范的目的是要定義一個對 規(guī)范作最低限度的改變來實現(xiàn)便攜式USB 設(shè)備的應(yīng)用。為了取的 PC 主機的資格，設(shè)備必須包含以下幾個特性： (l)存儲大量的設(shè)備驅(qū)動程序； (2)產(chǎn)生大電流的能力； (3)一個標準主機連接插孔。 USBOTG 為外設(shè)之間點對點通信的實現(xiàn)提供了一個完善而經(jīng)濟的解決方案，突破了主 PC 機的約 束，允許一個 USB 外設(shè)擁有受限的主機功能，實現(xiàn)與其它選擇的 USB 外設(shè)通信；利用小型的連接器來滿足外設(shè)接口外形多變的要求；小功率特性延長了電池的使用壽命。 USBOTG 協(xié)議的介紹 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 13 頁 共 35 頁 USB 的廣泛應(yīng)用正在成為外設(shè)與 PC 及筆記本電腦連接的工業(yè)標準。 完全兼容 和 ，他們使用相同的連接器與電纜。 設(shè)備描述 符與Device_Qualifier 描述符中的字段數(shù)值，視所選擇的速度來做交替。 協(xié)議除了滿足 協(xié)議的一些特性外，還增加了一些新的特性。 在程序設(shè)計時，各種描述符的每一個字段必須正確無誤，尤其是描述符的長度和類型，否則設(shè)備枚舉必將失敗。 USB 設(shè)備的每一個端點都有自己的描述符。一個設(shè)備可以有多個配置描述符。 USB 的描述符是通過 Get Deseriptor 來讀取的。一個描述符是具有一個確定格式的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 表 23 USB 設(shè)備請求格式 USB 設(shè)備要想工作，必須對 USB 協(xié)議的標準命令請求做出正確響應(yīng)，只有對標準的請求正確響應(yīng)，設(shè)備才能 枚舉成功，才能和上位機通信。如果全部的數(shù)據(jù)和 CRC 位被準確無誤地收到， 16 位剩余將是 1000000000001101B。生成 多項式如下： G(X)=X5+X2+1 這個多項式的二進制位組合是 00101B。 圖 數(shù)據(jù)域格式 CRC 校驗：包括令牌校驗和數(shù)據(jù)校驗。 幀號域 (Frame Number Field：幀號字段是一個 11 位的字段，主機每過一幀就將其內(nèi)容加一。規(guī)定端點域只能供 IN、 SETUP 和 OUT 令牌的 PID 使用。端點域 (ENDP)有 4 位，它使設(shè)備可以擁有幾個子通道，所有的設(shè)備必須支持一個控制端點 0(end point 0)。 表 22 PID 類型 PID 類型 PID 名稱 PID[3… 0] 說明 令牌 (Token) OUT 0001b 地址 +端點號 IN 1001b 地址 +端點號 SOF 0101b 幀標志，表示幀標號開始 SETUP 1101b 地址 +端點號 數(shù)據(jù) （ DATA） DATA0 0011b 數(shù)據(jù)分組偶 PID DATA1 1011b 數(shù)據(jù)分組奇 PID 握手 （ Handsake） ACK 0010b 接收器接受到無誤的數(shù)據(jù)分組 NAK 1010b 接受設(shè)備不能接受數(shù)據(jù)或發(fā)送設(shè)備不能發(fā)送的數(shù)據(jù) SALL 1110b 端點被靜止 特殊 PRE 1100b 主機發(fā)出低速通信的前導信號 地址域 (AddressField)：外設(shè)端點都是由地址域指明的，它包括兩個子域：地址域和端點域，外設(shè)必須解讀這兩個域，其中有任何一個不匹配，這個令牌就會被忽略。 標識域 (PID Paeket Identifier Field)：是由一個 4 位的分組類型碼加上 4 位類型碼的 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 8 頁 共 35 頁 反碼組成，其格式如圖 所示。 在實際開發(fā)過程中，我們可以采用其中的一種或幾種方式來設(shè)計我們的系統(tǒng)。具有數(shù)據(jù)量小、非周期性、低頻率、延時一定等特點。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 7 頁 共 35 頁 塊傳輸主要用于完成主機和設(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行傳輸，或可以延遲到有可利用的帶寬時再進行傳送數(shù)據(jù)。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，每一個信息包則是包含傳輸?shù)男畔ⅰ?USBD 以 I/O 請求包 (IRPS)的形式提供數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)架，它由通過特定管道 (PIPE)傳輸數(shù)據(jù)的需求組成。 UHCD 實現(xiàn)了與 USB主控制器通信和控制 USB 主控制器的一些細節(jié)，它對系統(tǒng)軟件的其它部分是隱蔽的。 主控 制器驅(qū)動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，因此客戶可以在不知其設(shè)備連接在那個主控制器的情況下與設(shè)備相互作用。實箭頭表示主機上的實際通信，設(shè)備上的相應(yīng)接口根據(jù)不同的儀器而不同。詳細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。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(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)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(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(shè)備中的應(yīng)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。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(zhì)量兼容設(shè)備的開發(fā)。 3)數(shù)據(jù)傳輸速度比一般的串 行總線 (如 RS232， RS485 等 )快， 標準的接口最快可以達到 12Mbps，可以滿足絕大多數(shù)多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。 USB 設(shè)備支持即插即用，安裝 USB 設(shè)備不必再打開機箱，加減已安裝過的設(shè)備，完全不用關(guān)閉計算機。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(shè)的方法。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(shè)備進行訪問。 作者簽名： 日 期： 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 2 頁 共 35 頁 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。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 1 頁 共 35 頁 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)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： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學?？梢圆捎糜坝　⒖s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。 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，并且被分配一個指定的 IRQ(中斷請求 )，在某些情況下也可以是一個 DMA 通道。 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。 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(shè)備安裝和配置容易。 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(shè)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。 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(lǐng)先的公司所組成的聯(lián)盟所定義和加以推廣。第三個版本的 是發(fā)布于 1999 年。目前， USB 總線的協(xié)議版本已經(jīng)達到了 ，支持的最高速度達到了 480Mbps，遠遠超過了一般并行總線的數(shù)據(jù)傳輸速度。因此，我們提出了基于 USB 總線接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在自動飛行控制和航天器的遙測、遙控中以及在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有很重要的地位。在科學技術(shù)研究的各行各業(yè)中，常常利用 PC 機或工控機對各種數(shù)據(jù)進行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。 (3) 提出系統(tǒng)總體設(shè)計方案。 (4) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。主機和設(shè)備被分成如圖 所示的幾層。其中 USB 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 6 頁 共 35 頁 系統(tǒng)軟件是由主控制器驅(qū)動程序 (HCD)、 USB 驅(qū)動程序 (USBD)和主機軟件組成。 USB 主控制器定義了一個標準硬件接口，以提供一個統(tǒng)一的主控制器可編程接口。 USBD 所實現(xiàn)的準確細節(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。 USB 的數(shù)據(jù)傳輸方式 雖然 USB 設(shè)備的軟硬件會自動處理所