【正文】 ........................................................................................................ 33 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 前 言 本課題研究的目的和背景 通信是指不同的獨立系統(tǒng)利用線路互相交換數(shù)據(jù)，它的主要目的是將數(shù)據(jù)從一端傳送到另一端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。 計算機與外界的信息交換稱為通信。 隨著計算機技術(shù)尤其是單片微型機技術(shù)的發(fā)展，人們已越來越多的采用單片機來對一些工業(yè)控制系統(tǒng)中如溫度、流量和壓力等參數(shù)進行監(jiān)測和控制。 當(dāng)前 USB 接口逐步取代 RS232(DB9)串口已是大勢所趨，單片機同計算機的 USB 通信在實際工作中的應(yīng)用范圍也將越來越廣。 （ 2）外圍電路：實現(xiàn)單片機和 PC機之間的 串行 通信的 USB模塊電路 。從 IBM 個人電腦和兼容式電腦的時代開始，幾乎所有的計算機都配有一個或多個串行端口和一個并行端口。對于并行通信，你需要采用 8 條導(dǎo)線。 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 圖 21 一些常見的串行設(shè)備，調(diào)制解調(diào)器，鼠標(biāo)和路由器 雖然今天的消費產(chǎn)品中在串行連接的地方使用 USB 連接，但還有很多的設(shè)備使用串行端口作為與外部世界的唯一連接。該數(shù)據(jù)位可以是五，六，七，或 8 位，基于商定而定。波特率是數(shù)據(jù)從一個設(shè)備到另一個的傳輸速度。一個校驗位可以是以下內(nèi)容：奇數(shù)，偶數(shù)， mark， space 或無（空的奇偶位標(biāo)志幾乎總是被使用）。大多數(shù)系列設(shè)備使用 9 針連接器。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進行遠距離通信。 （ 3） 并行傳遞的信息不要求固定的格式。 （ 7） 在集成電路芯片的內(nèi)部、同一插件板上各部件之間、同一機箱內(nèi)個插件板之間的數(shù)據(jù)傳輸都是并行的。 串行通信工作模式 如果在通信過程的任意時刻，信息只能由一方 A 傳到另一方 B，則稱為單工。 由于采用了回波抵消技術(shù)，雙向的傳輸信號不致混淆不清。 （一） 半雙工方式 若使用同一根傳輸線既作接收又作發(fā)送，雖然數(shù)據(jù)可以在兩個方向上傳送，但通信雙方不能同時收發(fā)數(shù)據(jù)，這樣的傳送方式就是半雙工制，如圖 24 所示。有些計算機和顯示終端之間采用半雙工方式工作，這時，從鍵盤打入的字符在發(fā)送到主機的同時就被送到終端上顯示出來，而不是用回送的辦法，所以避免了接收過程和發(fā)送過程同時進行的情況。在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳送。 圖 25 全雙工通信示意圖 異步傳輸和同步傳輸 串行傳輸中，數(shù)據(jù)是一位一位按照到達的順序依次傳輸?shù)?，每位?shù)據(jù) 的發(fā)送和接收都需要時鐘來控制。 （一） 異步傳輸 通常，異步傳輸是以字符為傳輸單位，每個字符都要附加 1 位起始位和 1 位停止位，以標(biāo)記一個字符的開始和結(jié)束，并以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸同步。一個字符占用 5~8 位，具體取決于數(shù)據(jù)所采用的字符集。典型的速率有： 9 600 b/s、 56kb/s 等。例如，在使用 Modem 上網(wǎng)時，普遍感覺速度很慢，除了傳輸速率低之外，與通信開銷大、通信效率低也密切相關(guān)。 和異步傳輸相比，數(shù)據(jù)傳輸單位的加長容易引 起時鐘漂移。另一種方法是通過采用嵌有時鐘信息的數(shù)據(jù)編碼位向接收端提供同步信息。） USB 允許外設(shè)在主機和其它外設(shè)工作時進行連接 、配置 、 使用及移除 ， 即所謂的即插即用 （ Plugamp。 為 了進一步敘述 ， 我們給出端點 (endpoint)和管道 (pipe)的概念。每個端點都有一定的特性。用于設(shè)備初始化參數(shù)等。管道有兩種類型，數(shù)據(jù)流管道（其中的數(shù)據(jù)沒有 USB定義的結(jié)構(gòu)）與消息管道（其中的數(shù)據(jù)必須有 USB定義的結(jié)構(gòu)）管道只是一個邏輯上的概念。 最底層是總線接口，用來發(fā)送與接收包。 圖 設(shè)備層次結(jié)構(gòu) USB 的優(yōu)點 1． USB 為所有的 USB外設(shè)提供了單一的 、 易于使用的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型 。 其他普通的外圍連接標(biāo)準(zhǔn) ， 如 SCSI設(shè)備等必須在關(guān)掉主機的情況下才能插拔外圍設(shè)備 。 ， USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型 ： 控制傳輸 Bulk數(shù)據(jù) 、 傳輸中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步數(shù)據(jù)傳輸 。 USB系統(tǒng)軟件用來主要進行查詢 、 配置和給 USB 設(shè)備發(fā)送通用的命令 。 它被用于時間嚴(yán)格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸 ， 或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳輸率的即時應(yīng)用中 。 (interrupt)方式 ： 傳輸中斷方式傳輸主要用于定時查詢設(shè)備是否有成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 中斷數(shù)據(jù)要傳輸 ， 設(shè)備的端點模式器的結(jié)構(gòu)決定了它的查詢頻率 ， 從 1 到 255ms 之間 ， 這種傳輸方式典型的應(yīng)用在少量的分散的 ， 不可預(yù)測數(shù)據(jù)的傳輸 。 打印機和掃描儀屬于這種類型 。 在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之后 ，USB的 host就對不同的傳輸點和傳輸方式做一個統(tǒng)籌安排 ， 用來適應(yīng)整個的 USB 的帶寬 。 這些附加的 Hub 可以連接另外的外設(shè)以及下層 HubUSB。 USB通過一個四線電纜來傳輸信號與電源 ， 如圖 圖 USB 電纜定義 其中 D+和 D是一對差模的信號 線 ， 而 VBus和 GND則提供了 +5V的電源 ， 它可以給一些設(shè)備 (包括 Hub)供電 ， 當(dāng)然要有一定的條件限制 。 為了提供信號電壓保證 ， 以及與終端負載相匹配 ， 在成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 電纜的每一端都使用了不平衡的終端負載 。 插頭與插座有兩個系列分別為 A 和 B， 系列 A用于基本固定的外圍設(shè)備 ， 而系列 B用于經(jīng)常拔插的設(shè)備 ， 這兩個系列是不能互換的 。而數(shù)據(jù)的目的地一般要以一個確認包 (Handshake Packet)作出響應(yīng)以表明傳輸是否成功。 標(biāo)識域 (Packet Identifier Field)： 對于每個包 ， PID都是緊跟著 SYNC 的 ，PID 指明了包的類型及其格式 。 地址域 (Address Field)： 外設(shè)端點都是由地址域指明的 ， 它包括兩個子域 ：外設(shè)地址和外設(shè)端點 。 一旦外設(shè)被復(fù)位或上電 ， 外設(shè)的地址被缺省為 0， 這時必須在主機枚舉過程中被賦予一個獨一的地址 。 低速的設(shè)備最多支持 2個端點 ： 0和一個附加端點 。 數(shù)據(jù)域 (Data Field):范圍是 01023 字節(jié) ， 而且必須是整數(shù)個字節(jié) 。 圖 INOUTSETUP 數(shù)據(jù)格式 對于 OUT和 SETUP來說 ， ADDR和 ENDP中所指明的端點將接收到主機發(fā)出的數(shù)據(jù)包 ， 而對 IN來說 ， 所指定的端點將輸出一個數(shù)據(jù)包 。 主機以一定的速率 (1ms177。 數(shù)據(jù)包包含了 PID、 DATA 和 CRC 三個域圖 。 圖 PID 數(shù)據(jù)格式 Handshake包有三種類型 ： (1)確認包 ACK： 表明數(shù)據(jù)接收成功 。 對于輸入操作 ， 如果設(shè)備不能返回數(shù)據(jù) ， 那么必須發(fā)出 NAK或 STALL包 ；對于輸出如果設(shè)備不能接收數(shù)據(jù) ， 也要返回 NAK或 STALL。 圖 控制操作讀寫過程 中斷操作 (interrupt transaction): 中斷操作只有輸入這一個方向 ， 具體格式與批操作的輸入情形類似圖 。 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 圖 同步操作流程 四．?dāng)?shù)據(jù)觸發(fā)同步與重試 USB 提供了保證數(shù)據(jù)序列同步的機制這一機制 ， 確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性 。 在總線傳輸?shù)拈_始 ， 發(fā)送者與接收者的序列位必須一致 ， 這是由控制命令來實現(xiàn)的 。如果數(shù)據(jù)可以被接收，并且兩者的序列位匹配，則該數(shù)據(jù)被接收并且發(fā)送 ACK，同時接收者的序列位被觸發(fā)。 圖 是一次低速的輸 入操作 ， 主機發(fā)送令牌與應(yīng)答包并且接收了一個數(shù)據(jù)包 。 在接收到 EOP信號之后 ， Hub關(guān)閉低速設(shè)備的端口 。 六． 錯誤 檢驗與恢復(fù) USB 具有檢查錯誤的能力 ， 并且可以根據(jù)傳輸類型的要求進行相應(yīng)的處理 。 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 第四章 串口通信 接口 設(shè)計 設(shè)計選擇 由于 實際應(yīng)用中單片機在數(shù)據(jù)處理能力、人機交互等方面往往不能滿足要求 , 因而通常用 PC 來彌補單片機的這些不足。要實現(xiàn)這樣的功能 , 就涉及到 PC 機與單片機之間的通信問題。因本設(shè)計在實現(xiàn) PC 機與單片機的串行通信 的中間介質(zhì)是 USB，因此在 USB 的模塊選擇上選擇 USB 模塊 CH375。 RS 232C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于 4% 的情況下 , 傳輸電纜長度應(yīng)為 15m, 其實這個 4%的碼元畸變是很保守的 ,在實際應(yīng)用中 , 約有 99% 的用戶是按碼元畸變 0%~ 20% 的范圍工作的 , 所以實際使用中最大距離會超過 15m。噪聲容限為 2V, 即要求接收器能識別低至 + 3V 的信號作為邏輯 / 00, 高到 3V 的信號作為邏輯 / 10 。 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 （ 3）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這 種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。 （ 1）開始通信時，信號線為空閑（邏輯 1） ,當(dāng)檢測到由 1到 0的跳變時，開始對 “ 接收時鐘 ” 計數(shù)。 （ 4）再隔 16 個接收時鐘，對輸入信號檢測一次，把對應(yīng)的值作為 D1 位數(shù)據(jù) ， 直到全部數(shù)據(jù)位都輸入。若校驗錯，在狀態(tài)寄存器中置奇偶錯標(biāo)志。 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 如果單片機晶振用的不正確，會對串口接受產(chǎn)生誤碼。 圖 46 是由 CH375 構(gòu)成的 USB 接口電路原理圖、 圖 47 即是由 USB 模塊 CH375 構(gòu)成的通信接口電路圖 。統(tǒng)一采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式進行通信，所有的通信都由計算機應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到單片機的應(yīng)答結(jié)束。 為了實現(xiàn)通信 , 雙方約定如下 : 波特率 : 2400bit/ s； 幀格式 : 10 位為一幀 , 包括 1 個起始位 , 8 個數(shù)據(jù)位和 1 個停止位 ； 傳送方式 : PC 機采用查詢方式收發(fā)數(shù)據(jù) , 單片機采用中斷方式收發(fā)數(shù)據(jù)。 / * 初始化 * / outportb( 0x3f8, 0x30) 。 c1= getchar( ) 。 outportb( 0x3f8, c1) 。 c2= inportb( 0x3f8) 。而且無需編寫復(fù)雜的 USB 驅(qū)動程序，利用其動態(tài)鏈接庫即可實現(xiàn)多通道 USB 接口與 PC 機通信。 PC 機具有強大的監(jiān)控和管理功能，而單片機則具有快速及靈活的控制特點，通過 PC機的 RS232 串行接口與外部設(shè)備進行通信，是許多測控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方 案 。本設(shè)計方案在實際運行過程中，簡單方便，穩(wěn)定可靠，較好地解決了上位機與下位機之間的通信問題。 成都理工大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 致 謝 在此論文撰寫過程中，要特別感謝我的導(dǎo)師 朱杰老師 的指導(dǎo)與督促，同時感謝 他 的諒解與包容。在此，也對他們表示衷心感謝