【正文】 供應(yīng)商、軟件開發(fā)商和設(shè)備制造商的廣泛支持，OTG必將會(huì)成為新一代嵌入式設(shè)備的解決方案。采樣系統(tǒng)與PC機(jī)接口速度的瓶頸作用會(huì)導(dǎo)致一部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失，失去連續(xù)采樣的意義。PCI總線為外設(shè)提供了訪問微處理器更寬更快的通路，有效地克服了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i現(xiàn)象。USB是一些PC大廠商，如Microsoft，Intel等為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，自1995年在cmodeX上亮相以來，己廣泛地為各CP廠家所支持。USB為接纜和連接頭提供了單一模型，解決了外設(shè)越來越多所造成的插槽緊張問題。 USB控制芯片的選擇要實(shí)現(xiàn)一個(gè)USB設(shè)備，首先面對(duì)的問題就是選擇一種適合的USB控制芯片。此類芯片的典型代表有：Cypress公司的EZ_USB系列芯片(內(nèi)嵌80C186)，Amtel公司的AT76C711(內(nèi)嵌Atmel AVR)，SIEMNES公司的C541U(內(nèi)嵌80C580C52)等等。 PDIUSBD12芯片簡(jiǎn)介PDIUSBD12是Philips公司的一款性價(jià)比很高的USB器件，其內(nèi)部無微控制器，需要通過八位并行接口與其他微控制器配合使用，并支持DMA傳輸。XTAL1和XATL2為外部時(shí)鐘信號(hào)引入端，使用6MHz晶振。D+和D一管腳上分別接有一個(gè)10歐姆的差分傳輸平衡電阻，以保證數(shù)據(jù)傳送正確。 AT89C51介紹AT89C51單片機(jī)是采用高性能的靜態(tài)SOC51設(shè)計(jì)。運(yùn)行可從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。當(dāng)作為輸入腳時(shí)，被外部拉低的P2口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。置位后ALE只能在執(zhí)行MOVX指令時(shí)被激活。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案PC主機(jī)UJUSB接口芯片PDIUSBD12傳感器八路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換UAN低通濾波前置放大電路單片機(jī)AT89C51光電耦合隔離 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖本USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要由微控制器AT89C5A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC080USB接口芯片PDIUSBD12組成。對(duì)PC機(jī)與數(shù)據(jù)采集器的接口方式和USB控制芯片的選取進(jìn)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(shì)。對(duì)于RC無源濾波器，其傳遞函數(shù)的極點(diǎn)永遠(yuǎn)只能位于S平面的負(fù)實(shí)軸上，頻率特性呈單調(diào)衰減，無法做到通帶平坦和過渡帶陡峭，因此本系統(tǒng)中選用二階有源濾波器。 采樣/保持電路圖在上圖的采樣/保持電路中，采樣/保持器的控制脈沖由ADC0809的EOC引腳經(jīng)兩個(gè)反相器(增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力)后得到。89C51是應(yīng)用比較廣泛的一種單片機(jī)微控制器，因此選用了它進(jìn)行核心程序的設(shè)計(jì)，通過D12將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合USB規(guī)則的信號(hào)。DMACK_N接高電平，CS_N接低電平作為片選。USB協(xié)議規(guī)定，當(dāng)總線上3us沒有活動(dòng)時(shí)，外設(shè)將進(jìn)入掛起狀態(tài)。對(duì)于自供電設(shè)備，建議用前者，因?yàn)閷?duì)于自供電設(shè)備，若用方式二，插上電纜后，經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)檢測(cè)不到設(shè)備或主機(jī)讀取描述符不成功的情況，這與D+的上拉電阻有關(guān)。 USB接口硬件框圖整個(gè)硬件系統(tǒng)主要分為下述幾個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊：它是控制的核心，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，寫在其內(nèi)部EPROM中的單片機(jī)序需要完成初始化、數(shù)據(jù)采集、傳輸數(shù)據(jù)給PDIUSBD12等功能。它們是USB的數(shù)據(jù)線，外接匹配電阻是18歐姆。為了避免這種情況出現(xiàn)，我們通過單片機(jī)的I/O端口來給PDIUSBD12提供復(fù)位信號(hào)。其中，分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(jì)，并給出了硬件電路原理圖。最后，闡述了數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在這里特向以下單位和個(gè)人致以本人最誠摯的謝意：首先，感謝學(xué)校能夠提供我們一個(gè)這樣鍛煉和提高自己能力的機(jī)會(huì)，使得我們?cè)谧呷肷鐣?huì)之前有了一個(gè)深刻的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的體會(huì)。在課題設(shè)計(jì)過程中，我還得到了同組同學(xué)的熱情幫助，在此，向他們深表謝意！同他們的交流拓寬了我思路，豐富了我的知識(shí)。在指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)下，得以把整體框架清理出來。對(duì)PC機(jī)與數(shù)據(jù)采集器的接口方式和USB控制芯片的選取進(jìn)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(shì)。只有D12SUSPD引腳上的負(fù)脈沖保持到第一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖結(jié)束才能使第二個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)，使單片機(jī)復(fù)位。 復(fù)位與掛起恢復(fù)電路系統(tǒng)中單片機(jī)和USB控制芯片都需要復(fù)位，PDIUSBD12具有內(nèi)置的上電復(fù)位電路，所以可以將RESET_N引腳直接連到VCC即可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。 USB接口電路。另外，為了方便USB接口的硬件調(diào)試，系統(tǒng)增加了一個(gè)RS232接口。(二)直接在D+線外接上拉電阻，用插拔電纜實(shí)現(xiàn)連接與斷開。尤其是對(duì)于MCU的外圍設(shè)備很多時(shí)，更不宜用單一時(shí)鐘方式。在這里，A0是與P17相連，A0為高時(shí)，表示DATA0DATA7上收到的是命令字；A0為低時(shí)，表明接收到的是數(shù)據(jù)。當(dāng)所需增益為1時(shí)，省去電阻RF，將9號(hào)和8號(hào)兩個(gè)引腳直接連接即可。在本系統(tǒng)中采用了AD582芯片作為采樣保持器件。模擬濾波器通常可分為兩大類：無源濾波器，由RLC元件構(gòu)成；有源濾波器，主要由集成運(yùn)放和RC元件構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)框圖如圖所示。XATL1晶體1：反相振蕩放大器輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路輸入。ALE地址鎖存使能：在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下，ALE輸出信號(hào)恒定為1/6振蕩頻率。當(dāng)作為輸入腳時(shí)，被外部拉低的Pl口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。掉電模式保存RAM的內(nèi)容，但是凍結(jié)振蕩器，導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。如果配置為同步式(只能進(jìn)行中斷或者塊傳輸)，則分IN和OUT兩個(gè)方向；如果配置為等時(shí)IN/OUT模式，也有兩個(gè)方向。這樣外圍處理器可以處理USB不連接時(shí)的工作狀態(tài)。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(shè)備提供電源；D+和D一為信號(hào)線。此類芯片的典型代表有：Philips公司的PDIUSBD1Netchip公司的NET2888芯片、National 。這些控制器芯片的優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)者已經(jīng)熟悉了這些通用微控制器的結(jié)構(gòu)和指令集，所以開發(fā)起來救比較容易。USB總線提供最大達(dá)5V，500mA電流，對(duì)于功耗較小的設(shè)備來說這是非常有效的。USB設(shè)備支持即插即用，安裝UBS設(shè)備不必再打開機(jī)箱，加減已安裝過的設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。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。（4）PCI總線PCI總線是Intel公司推出的外圍設(shè)備互連總線，是另一種局部總線規(guī)范PCI總線具嚴(yán)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(kuò)展卡可插入任何PCI系統(tǒng)可靠地工作。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。點(diǎn)到點(diǎn)的通信能力建立在定義好的結(jié)構(gòu)上，允許在主機(jī)和從機(jī)之間的轉(zhuǎn)換。它允許一個(gè)便攜式設(shè)備成為一個(gè)USB主機(jī)，而不需要支持一個(gè)PC主機(jī)的所有功能。在2001年，USB開發(fā)者論壇(USB Implementers Forum，USBIF)(OnTheGo)。Other_Speed_Configuration描述符的附屬描述符與設(shè)備配置描述符相同。原來的預(yù)測(cè)是希望提高到20倍的傳輸速度，實(shí)際上達(dá)到了40倍的傳輸速度(480Mb/s)。一個(gè)設(shè)備接口包含一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)描述符。使用描述符使得單個(gè)配置的特性存儲(chǔ)變得簡(jiǎn)明，因?yàn)槊總€(gè)配置可能會(huì)重復(fù)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(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫來表繪一個(gè)個(gè)的單獨(dú)數(shù)據(jù)記錄。所有的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求都是使用默認(rèn)管道來傳輸?shù)?。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(gè)零。對(duì)于低速(Low Speed)設(shè)備，每個(gè)功能部件最多提供3個(gè)管道：在端口0的控制管道加上2個(gè)附加管道(或是2個(gè)控制管道，或是1個(gè)控制管道和1個(gè)中斷端口，或是2個(gè)中斷端口)。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(shí)必須在主機(jī)枚舉過程中被賦予一個(gè)唯一的地址。所有的數(shù)據(jù)通訊過程都可以歸結(jié)為三種包的傳輸：令牌包、數(shù)據(jù)包和應(yīng)答包，這些包都是由不同的域組成的，格式如表21所示。塊傳輸支持兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)傳輸(即主機(jī)到設(shè)備和設(shè)備到主機(jī))，適用于打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等不定期傳送大量數(shù)據(jù)的中速設(shè)備，具有非周期性和突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)。當(dāng)設(shè)備被系統(tǒng)檢測(cè)到時(shí)，這些客戶程序?qū)⒅苯幼饔糜谕鈬布@個(gè)共享的特性將USB系統(tǒng)軟件置于客戶和它的設(shè)備之間，也就是說，一個(gè)客戶程序不能直接訪問設(shè)備硬件，而是根據(jù)USBD在客戶端形成的設(shè)備映像由客戶程序?qū)λM(jìn)行處理。通用主控制器驅(qū)動(dòng)器(UHCD)處于軟結(jié)構(gòu)的最底層，由它來管理和控制主控制器。2 USB軟件通信協(xié)議 USB系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)USB系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：主機(jī)和設(shè)備：是指USB系統(tǒng)中的主要構(gòu)件；物理構(gòu)成：是指USB元件的連接方法；邏輯構(gòu)成：不同的USB元件所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧拓?zé)任，以及從主機(jī)和設(shè)備的角度出發(fā)USB所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)；客戶軟件與設(shè)備功能接口的關(guān)系。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。它是以傳感器、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)、處理以及控制等作業(yè)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。歷經(jīng)8年的發(fā)展，USB技術(shù)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。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(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。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。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(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集這其中有很多地方需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。通用串行總線(Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱USB)的出現(xiàn)，很好的解決了以上這些問題。2)接口數(shù)目多，每個(gè)USB主機(jī)通過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口不夠用的問題。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。數(shù)據(jù)采集是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，是信息處理系統(tǒng)的最前端。 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(gè)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，