【正文】 這部分中的操作是完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的主要部分，比如數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取? EP6CFG = 0xE2。 void TD_Init(void) { CPUCS = ((CPUCS amp。通過(guò)逐步的擴(kuò)充，進(jìn)而健全所需要的其他功能。 USB 器件在微控制器的控制下與主機(jī)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn) USB 的數(shù)據(jù)收發(fā)，基本過(guò)程是這樣的：當(dāng) USB 外設(shè)接到主機(jī)上時(shí)，主機(jī)首先列舉設(shè)備，之后通過(guò)缺省端點(diǎn) EP0 下載固件程序到其片內(nèi) RAM，接下來(lái)重列舉設(shè)備，用下載到其內(nèi)部 RAM 的固件配置設(shè)備，即用戶所設(shè)計(jì)的模式，根據(jù)用戶定義的固件程序中的 VID 和 PID，找到設(shè)備的功能驅(qū)動(dòng)程序，從而完成設(shè)備的配置過(guò)程。 固件程序的功能和架構(gòu) 固件的功能 固件程序主要負(fù)責(zé)完成兩項(xiàng)任務(wù) [21]：一是作為駐留在設(shè)備中的內(nèi)部應(yīng)用程序，響應(yīng)主機(jī)的列舉請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)配置設(shè)備并將設(shè)備的配置信息 (如支持哪些傳輸類型和端河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 28 點(diǎn) )告知主機(jī)，進(jìn)而為主機(jī)和設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信做好準(zhǔn)備工作：二是作為整個(gè)設(shè)備的控制中心，根據(jù)用戶應(yīng)用系統(tǒng)的特定要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)外 圍設(shè)備的具體控制。 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言的 軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。 J5 跳針可控制 EEPROM 連接。本設(shè)計(jì)中，選用的是電源轉(zhuǎn)換芯片 ，將 +5V 轉(zhuǎn)換為＋ 。 +5V 供電方式選擇電路如圖 37。 CH1A～ CH4B 是 MAX125 的 8 路輸入轉(zhuǎn)換通道，可對(duì) A0～ A3 地址線進(jìn)行編程來(lái)指定通道。因?yàn)閮?nèi)部鎖相環(huán)在 VCC 升至 之后大約 200μ s才能穩(wěn)定，所以本設(shè)計(jì)將 RESET 引腳連接到 IMP811，使系統(tǒng)正常上電復(fù)位。 XTAL IN 和 XTAL OUT 為晶振的輸入和輸出引腳，分別與晶振相連；同時(shí)，晶振的兩個(gè)引腳分別通過(guò)一個(gè) 22pF 的負(fù)載電容接 地。 5V，轉(zhuǎn)換器的最高輸入過(guò)電壓高達(dá)177。 ⑥ 8051 固件在電氣上斷開(kāi) FX2 設(shè)備與 USB 總線的連接。 3) GPIF：允許直接連接到大多數(shù)并行接口： 8 位和 16 位；由可編程波形描述符和配置寄存器來(lái)定義波形；支持多個(gè) Ready（ RDY）輸入和 Control（ CTL）輸出； 4) ＋ 電壓供電，減小了控制器的功耗。但是，對(duì)于 CPU 來(lái)說(shuō)，由于 支持的數(shù)據(jù)傳輸速率太高而使其不能直接處理 USB 數(shù)據(jù)。 集成的 USB 收發(fā)器通過(guò) USB 電纜的 D＋和 D－線連接到主機(jī)，串行接口引擎（ SIE） 進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼和解碼、完成錯(cuò)誤校驗(yàn)、位填充等與 USB 協(xié)議有關(guān)的功能。 2) 速度：應(yīng)根據(jù)輸入信號(hào)的最高頻率來(lái)確定，保證轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要高于系統(tǒng)要求的采樣頻率。 采用單獨(dú)運(yùn)作的 USB 接口芯片的主要特點(diǎn)是成本低、接口形式多樣、可靠性高，具有很高的靈活性，尤其適合于產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)；缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)者需要非常熟悉 USB 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 17 的協(xié)議，以處理 USB 總線事務(wù)，加大了編程設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)難度，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)要用微處理器控制收發(fā)器的工作。 圖 31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的芯片選擇 USB 芯片選擇 目前 USB 芯片大致分為 5 大類型： 1） 單獨(dú)運(yùn)作的 USB 接口芯片； 2） 內(nèi)含 USB 單元的微處理器（ MPU）； 3） 特定的接口轉(zhuǎn)芯片，如 USB 轉(zhuǎn) RS232 或 USB 轉(zhuǎn) ATA/ATAPI 等； 4） PC 端或主機(jī)端的 USB 控制器； 由于后兩種是屬于 PC 主機(jī)板與芯片組制造商所開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域，不適合用戶來(lái)開(kāi)發(fā) USB 外圍設(shè)備；因此，對(duì)于一般的 USB 接口的開(kāi)發(fā)者而言，可以選用前面的兩種來(lái)滿足自己的設(shè)計(jì)要求。 圖 216 同步頭 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 15 3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)原理介紹 圖 31 為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖 214 所示的是一個(gè)數(shù)據(jù)流和它相對(duì)應(yīng)的 NRZI 編碼。 本設(shè)計(jì)是采用批量傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行傳輸?shù)摹? 圖 210 控制讀寫序列 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 中斷傳輸 同步傳輸 同步傳輸用于保證時(shí)間優(yōu)先的數(shù)據(jù)流，如音頻和視頻數(shù)據(jù)流，傳輸?shù)臅r(shí)間對(duì) 于數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)是非常必要的條件，在全速模式時(shí)，一個(gè)同步包包含 1023 字節(jié)；在高速模式時(shí)，一個(gè)同步包包含 1024 字節(jié)。中斷傳輸主要應(yīng)用于鍵盤、操縱桿和鼠標(biāo)。數(shù)據(jù)階段中的所有事務(wù)都必須有相同的方向，即同為 OUT 或者同為 IN?？刂苽鬏斠部梢愿鶕?jù)不同的情況選擇是否需要在建立階段和狀態(tài)階段包含一個(gè)數(shù)據(jù)階段。如果主機(jī)在接收數(shù)據(jù)時(shí)檢測(cè)到錯(cuò)誤，它將不返回任何握手包給設(shè)備。傳輸類型決定于客戶軟件和它的功能模塊之間的數(shù)據(jù)流特性。此時(shí)，這個(gè) IRP 應(yīng)當(dāng)能無(wú)錯(cuò)誤地取消，并且主機(jī)控制器應(yīng)該處理下一個(gè) IRP。在設(shè)備配置后默認(rèn)控制管道也可以由特定的設(shè)備軟件使用， USB 系統(tǒng)軟件保留默認(rèn)控制管道的所有權(quán)，并協(xié)調(diào)其他客戶軟件對(duì)管道的使用。功能設(shè)備在執(zhí)行的過(guò)程中可能需要額外的端點(diǎn)。當(dāng)設(shè)備連接時(shí)，系統(tǒng)為每個(gè)邏輯設(shè)備分配了唯一的地址，設(shè)備的每個(gè)端點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)就給定了一個(gè)由設(shè)備決定的唯一的標(biāo)識(shí)符 — 端點(diǎn)號(hào)?？蛻糗浖霉艿朗ㄅc端點(diǎn)集相關(guān)）來(lái)管理接口。 圖 25 USB 主機(jī) /設(shè)備詳細(xì)示意圖 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 主機(jī)和 USB 設(shè)備物理上的簡(jiǎn)單連接要求大量的層和實(shí)體之間相互作用。一個(gè)復(fù)合設(shè)備（ Compound Device） (如圖 所示 )占用了兩層；因此，如果它被連接在第 7 層就不能運(yùn)轉(zhuǎn)，第 7層只能允許連接功能設(shè)備。另外， USB 設(shè)備還有額外的功耗管理特性，允許軟件對(duì)他們進(jìn)行功耗管理。電源管理：即通過(guò)電源管理系統(tǒng)， USB 的系統(tǒng)軟件和設(shè)備如何與主機(jī)協(xié)調(diào)工作。 其中， D+、 D是串行數(shù)據(jù)通信線，它支持兩種數(shù)據(jù)傳輸速率，對(duì)于高速外設(shè)， USB以全速 12Mbps 或高速 480Mbps 傳輸數(shù)據(jù)；對(duì)于低速外設(shè)， USB 則以 的傳輸速率傳輸數(shù)據(jù)。這一技術(shù)使 USB 設(shè)備擺脫了對(duì) PC 的依賴，大大擴(kuò)展了USB 的應(yīng)用范圍。 1994 年， Microsoft 公司提出 PnP（ Plus and Play，即插即用）方案，旨在把 PC外設(shè)和擴(kuò)充電路板連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)中斷和端口等資源的自動(dòng)分配，而無(wú)需用戶的干預(yù)。 2. 接口數(shù)目多，每個(gè) USB 主機(jī)通過(guò) USB 集線器，可以同時(shí)掛接最多 127 個(gè)外圍設(shè)備，有效地解決了多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) I/O 口不夠用的問(wèn)題。 數(shù)據(jù)采集卡同計(jì)算機(jī)外設(shè)一樣，與主機(jī)的通訊接口一般是基于 PC上的 RS232 總線、 ISA 總線、 PCI 總線或 EPP/ECP 等 [1]。論文所設(shè)計(jì)的基于 總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有 14 位分辨率，單通道 250KHz 采樣頻率和 30Mbps 傳輸速率。 基于 USB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 I 基于 USB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 摘 要 數(shù)據(jù)采集技術(shù)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，涉及模擬信號(hào)調(diào)理、模擬信號(hào)數(shù)字化、數(shù)字信號(hào)處理等，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、傳輸和保存數(shù)據(jù)的功能，并且具有熱插拔、即插即用、便攜式的特點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的效果。 PCI 總線雖然具有較高的傳輸速度（ 132Mbps），并支持“即插即用”功能，但其缺點(diǎn)是插拔麻煩，而且由于 PC 機(jī)擴(kuò)展槽一般為 5～ 6 個(gè)，因此最多也只能有 5～ 6 個(gè) PCI 數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)用在一臺(tái)微機(jī)上；并且 PCI 插槽占用主板相當(dāng)大的空間，這也不利于微機(jī)系統(tǒng)的小型化。 3. 數(shù)據(jù)傳輸速度比一般的串行總線 (如 RS232， RS485 等 )快， 標(biāo)準(zhǔn)的接口最快可以達(dá)到 12Mbps，可以滿足絕大多數(shù)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。 1996 年， Compag， Intel 和Microsoft 三家廠商提出 Device Bay(設(shè)備插架 )概念，其目的是實(shí)現(xiàn)熱插撥和高 度的擴(kuò)充性。 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 2 USB 總線概述 目前， USB 設(shè)備的發(fā)展如日中天，國(guó)內(nèi)外已推出了幾百種 USB 設(shè)備，包括 USB 集線器、打印機(jī)、掃描儀器、存儲(chǔ)器、數(shù)碼相機(jī)和調(diào)制解調(diào)設(shè)備等。 USB 總線會(huì)根據(jù)外設(shè)情況在不同的傳輸模式中自動(dòng)地轉(zhuǎn)換。 （ 1） 電源分配 每段 USB 都在電纜上提供了數(shù)量有限的電源。 USB 數(shù)據(jù)流模型 [9] USB 的數(shù)據(jù)流模型主要描述了數(shù)據(jù)是如何通過(guò) USB 進(jìn)行傳輸?shù)膯?wèn)題，而且數(shù)據(jù) 流模型也是建立在 USB 數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)協(xié)議之上的。一個(gè) USB 主控制其最多可連接 127 個(gè)外設(shè)（包括根集線器）。 USB 總線接口層提供主機(jī)和設(shè)備之間的物理 /信號(hào) /包的連通性?？蛻糗浖髷?shù)據(jù)通過(guò) USB 在主機(jī)上的緩沖區(qū)和 USB 設(shè)備上的端點(diǎn)之間移動(dòng)。每個(gè)端點(diǎn)都有由設(shè)備決定的數(shù)據(jù)流方向。除了默認(rèn)管道所需的端點(diǎn)之外，其它端點(diǎn)只有在配置為設(shè)備的正常部分后才可以使用。 客戶軟件程序通常通過(guò) I/O 請(qǐng)求包（ IRP）向管道請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸，完成之后客戶軟件等 待或者接收通報(bào)。 2. 客戶程序可能期望一個(gè)指定大小的數(shù)據(jù)總量。 USB 定義了 4 種傳輸類型，以滿足在總線上進(jìn)行不同類型的數(shù)據(jù)的傳輸需要。 當(dāng)主機(jī)準(zhǔn)備傳 輸批量數(shù)據(jù)時(shí)，它首先發(fā)送一個(gè) OUT 令牌包，之后再發(fā)送數(shù)據(jù)包（或者是 PING 特殊令牌包）。如圖 所示的控制建立（ SETUP）事務(wù)。 圖 28 批量傳輸 圖 29 控制傳輸?shù)?SETUP 事務(wù) 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 控制傳輸?shù)臓顟B(tài)階段是控制事務(wù)的最后一個(gè)事務(wù)，并且也遵循與塊事務(wù)同樣的協(xié)議序列，狀態(tài)階段是以相對(duì)前面的數(shù)據(jù)流方向而變化的，并且總是使用 DATA1 PID。 中斷傳輸事務(wù)可由 輸入或輸出構(gòu)成。 在每一個(gè) USB 幀中，為同步傳輸分配了一定 USB 帶寬。 USB 總線信號(hào)環(huán)境 USB 串行數(shù)據(jù)是用 NRZI（ NonReturntoZero Inverted，不歸零翻轉(zhuǎn)）進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼，編碼過(guò)程是在通過(guò) USB 數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸之前進(jìn)行的。上面的圖的高電平表示數(shù)據(jù)線上的 1 狀態(tài)，下面的表示的是 NRZI 編碼。其工作流程如下：傳感器采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (MAX125)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； CY7C68013 負(fù)責(zé)把MAX125 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)讀取到其內(nèi)部 FIFO 緩沖區(qū)，由程序判斷 MAX125 的轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷信號(hào)來(lái)決定 MAX125 上的數(shù)據(jù)是否有效。 1） 單獨(dú)運(yùn)作的 USB 接口芯片 所謂 USB 接口芯片，即是僅包含 USB 的串行接口引擎（ SIE）、 FIFO 內(nèi)存、收發(fā)器以及電壓調(diào)節(jié)器等的芯片。內(nèi)含 USB 單元的微處理器的優(yōu)點(diǎn)是CPU 只需要訪問(wèn)一系列寄存器和存儲(chǔ)器，便可實(shí)現(xiàn) USB 口的數(shù)據(jù)傳輸；從而簡(jiǎn)化了程序的設(shè) 計(jì)，開(kāi)發(fā)難度減小，而且許多供應(yīng)商還提供許多范例電路和測(cè)試代碼，使設(shè)計(jì)者從復(fù)雜的協(xié)議解釋中得到解脫。 3) 模擬信號(hào)類型：通常 AD 器件的模擬輸入信號(hào)都是電壓信號(hào)，而 DA 器件輸出的模擬信號(hào)有電壓 和電流兩種。最終，SIE 傳輸來(lái)自或者將要到達(dá) USB 接口的數(shù)據(jù)。正因?yàn)槿绱耍?CPU 通常不參與到端點(diǎn) FIFO 和外部接口之間的高帶寬的數(shù)據(jù)通路上。 5) 增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051 微控制器，并具有以下特點(diǎn)： 1）時(shí)鐘頻率高達(dá) 48MHz，很大程度地提高了其運(yùn)行速度。 以上的過(guò)程，就稱為“ FX2 的枚舉”。 17V，而且某個(gè)通道的損壞不會(huì)影響整個(gè)電路的正常工作。 DMINUS 和 DPLUS 為 USB 的 D＋、 D信號(hào)線， 分別和 USBB 型連接器的相應(yīng)引腳相接。 IMP811 是在低功耗微處理器、微控制器和數(shù)字系統(tǒng)中用來(lái)監(jiān)視 、 和 電源工作的低功耗監(jiān)控電路，具有 去抖動(dòng)的手動(dòng)復(fù)位輸入 [17][18]。本設(shè)計(jì)中 MAX125 采用的是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，所以將 REFIN 引腳通過(guò) F 的電容接地、 REFOUT 引腳通過(guò) F 電容接地。 D1 為電源指示燈，上電后 D1 點(diǎn)亮。連接電路如圖 39 所示。圖 311 為 EEPROM 硬件電路。與匯編相比， C語(yǔ)言在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性上都有明顯的優(yōu)勢(shì)，易學(xué)易用。 US