【正文】 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(shì)：易實(shí)現(xiàn)、成本低、快速、兼容性強(qiáng)。詳細(xì)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(jì)。HCD與USBD間的接口叫HCDI，特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系統(tǒng)定義。客戶軟件位于軟件結(jié)構(gòu)的最高層，它負(fù)責(zé)處理特定USB設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器，客戶程序?qū)用枋隽怂兄苯幼饔糜谠O(shè)備的軟件入口。由于塊傳輸在硬件級(jí)上對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)(若發(fā)生錯(cuò)誤，它支持“重傳”功能)，因此它能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?USB的數(shù)據(jù)單元USB的通信結(jié)構(gòu)一般是以同步域SYNC開始的，接著是PID域，后面緊跟著數(shù)據(jù)或控制信息，最后是CRC校驗(yàn)。外設(shè)地址域(ADDR)指定了外設(shè)，它根據(jù)PID所說明的令牌的類型指明了外設(shè)是數(shù)據(jù)包的發(fā)送者或接收者，ADDR共7位，因此最多可以有127個(gè)地址。所有的功能部件都必須在端點(diǎn)0提供一個(gè)控制管道(缺省控制管道)。循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)被用來在標(biāo)記和數(shù)據(jù)包中保護(hù)所有的非PID字段。 USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求是用來完成USB設(shè)備枚舉的命令，USB設(shè)備必須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求做出響應(yīng)，不管該設(shè)備是否己經(jīng)被分派了一個(gè)默認(rèn)的地址或該設(shè)備目前正在配置。每個(gè)描述符都以一個(gè)一字節(jié)寬并包含了該描述符中所有字節(jié)數(shù)的域?yàn)殚_始，再跟上一個(gè)說明描述符類型的一字節(jié)寬的域。接口描述符：說明了關(guān)于接口的一般信息，它指出了特定的接口所支持的設(shè)備類，此外，它指出了該接口進(jìn)行通信時(shí)所使用的端口數(shù)量。 ，由7家公司在2000年4月份共同制定的，是版本更新的一大躍進(jìn)，它加入了許多高速傳輸特性。Other_Speed_Configuration描述符：此描述符的結(jié)構(gòu)與配置描述符相同，唯一的差別是Other_Speed_Configuration描述符描述的是當(dāng)設(shè)備在非作用中速度時(shí)的配置。但這些設(shè)備都是由一個(gè)主計(jì)算機(jī)來管理所有的通信，外圍設(shè)備不能夠直接彼此溝通。為了滿足這些限制要求。USBOTG是一種點(diǎn)到點(diǎn)的通信標(biāo)準(zhǔn)，其仍然保持在任何時(shí)候都有主機(jī)/從機(jī)。通過分析五種接口方式我決定選擇USB接口方式，下面是各接口方式的優(yōu)缺點(diǎn)：（1）RS232串行接口：串行接口是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的常用接口，現(xiàn)在的PC機(jī)一般至少有兩個(gè)串行口。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，ISA總線逐漸被淘汰，目前市場(chǎng)上大多PC機(jī)主板已經(jīng)沒有ISA插槽。而一種新的總線接口方式USB，則是對(duì)其它總線接口技術(shù)揚(yáng)長(zhǎng)避短的產(chǎn)物。設(shè)備安裝和配置容易。能夠采用總線供電。（2）內(nèi)嵌通用微控制器的芯片：內(nèi)嵌通用微控制器的USB控制芯片可以說是在通用微控制器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了USB功能。另外還需要一個(gè)中斷引腳，當(dāng)接口芯片收到或者是發(fā)送完USB總線數(shù)據(jù)時(shí)，這個(gè)中斷引腳會(huì)向微控制器發(fā)出中斷信號(hào)。引腳CS_N即為該芯片的片選信號(hào)引入端。由于USB的即插即用，實(shí)際電路的工作會(huì)帶來芯片工作狀態(tài)不定的負(fù)面影響，因此在芯片的EOT管腳連接一個(gè)1千歐姆的上拉電阻到外接電源，同時(shí)連接一個(gè)1兆歐姆的下拉電阻到地。端點(diǎn)2(主端點(diǎn))的數(shù)據(jù)傳輸方向有處理器模塊通過“Set Mode”命令配置?？臻e模式凍結(jié)CPU，但RAM、定時(shí)器、串口和中斷系統(tǒng)仍然工作。P1(P10一P17)：Pl口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P1口寫入1時(shí)，P1口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。P3口還具有以下特殊功能：RxD(P30)串行輸入口TxD(P31)串行輸出口INT0(P32)外部中斷0INT1(P33)外部中斷T0(P34)定時(shí)器0外部輸入Tl(P35)定時(shí)器1外部輸入WR (P36)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫信號(hào)RD(P37)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)RST復(fù)位：當(dāng)晶振在運(yùn)行中只要復(fù)位管腳出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期高電平即可復(fù)位，內(nèi)部有擴(kuò)散電阻連接到Vss，僅需要外接一個(gè)電容到Vcc即可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。如果保密位1已編程，EA在復(fù)位時(shí)由內(nèi)部鎖存。本系統(tǒng)采用控制傳輸管道傳送主機(jī)IO控制信號(hào)、瓶量傳輸管道來傳送、轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。當(dāng)信號(hào)中含有高于一半采樣頻率的頻率成分時(shí)，會(huì)引入混疊噪聲，加入低通濾波器就是為了限制輸入信號(hào)的最高頻率，把輸入信號(hào)限制在一定范圍內(nèi)，保證進(jìn)入A/D的信號(hào)不會(huì)含有超過一半采樣頻率的成分，從而達(dá)到抗混疊的目的。ADC0809芯片作為一種普及型的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部并沒有集成采樣保持電路，所以在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件中必須設(shè)計(jì)獨(dú)立的采樣保持電路。此外，該采樣/保持電路的增益值為(l+RF/R1)，而且兩電阻的阻值都應(yīng)在2k以上。89C51的P1口(P10一P17)，是內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P1口寫1時(shí)，1口被內(nèi)部上拉為高電平，并且可以用作輸入口；當(dāng)作為輸入腳時(shí)，P1口管腳被外部拉低，因?yàn)橥獠可侠a(chǎn)生電流。而且，這種方式也增加了電路的不穩(wěn)定性。此方式下通過向某一特定寄存器位寫1來實(shí)現(xiàn)與主機(jī)連接，斷開連接只需向相應(yīng)位寫0。這些功能由微控制器和PDIUSBD12及相應(yīng)的外圍電路共同實(shí)現(xiàn)。下面，對(duì)主要的硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)該注意的問題加以說明。當(dāng)AB或CD兩端出現(xiàn)瞬間高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度把兩端的阻抗值由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，吸收一個(gè)大電流，從而把它兩端間的電壓鉗位在一個(gè)較小的數(shù)值上，保護(hù)后面的電路元件不因瞬態(tài)高電壓的沖擊而損壞。當(dāng)D12SUSPD端出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，第一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的/Q端輸出一個(gè)負(fù)脈沖，使得第二個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能觸發(fā)。提出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。因而剛開始設(shè)計(jì)進(jìn)程很慢，后來通過各種渠道比如到圖書館查閱相關(guān)資料、上網(wǎng)等才把其弄懂。他淵博的學(xué)識(shí)、敏銳而活躍的思維為我樹立了榜樣，使我終身受益。這次設(shè)計(jì)不但檢驗(yàn)了自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，證實(shí)了自己的能力，使自己在進(jìn)入工作崗位之前有了一次對(duì)于工作的直觀評(píng)估和體會(huì)，而且使我們對(duì)自己的實(shí)踐能力建立一些信心。 詳細(xì)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(jì)。 5 結(jié) 論 本數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)是基于USB接口設(shè)計(jì)的，利用單片機(jī)知識(shí)和電子電路知識(shí)相聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)。單片機(jī)的復(fù)位可以有兩種途徑:一種是上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，另外一種方式是當(dāng)PDIUSBD12從掛起狀態(tài)回復(fù)的時(shí)候。當(dāng)USB電纜斷開與主機(jī)的連接時(shí)，D+和D處于懸浮狀態(tài)，在噪聲環(huán)境下，D+和D的狀態(tài)可能由于感應(yīng)噪聲而發(fā)生變化，SIE有時(shí)會(huì)誤以為是主機(jī)產(chǎn)生的恢復(fù)信號(hào)從而使PDIUSBD12錯(cuò)誤的退出掛起狀態(tài)。USB協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊：這個(gè)模塊以PDIUSBD12為核心，將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換發(fā)送到USB口。D+上的外接上拉電阻若由HUB的本地電源供電，則可能沒有VCC，此時(shí)檢測(cè)不到設(shè)備。此時(shí)，D12的SUSPEND引腳輸出高電平。GL_N接發(fā)光二極管后加電阻接高電平，它的亮暗將反映USB芯片的工作狀態(tài)。這樣，既可以利用89C51中豐富的軟件資源，又可以利用USB總線技術(shù)的即插即用、熱插拔等特性，可以使開發(fā)設(shè)備的成本降低、縮短開發(fā)時(shí)間周期。這樣，當(dāng)ADC0809處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)(EOC=0)時(shí)，采樣/保持器處于保持狀態(tài)；當(dāng)ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC=1)后采樣/保持器進(jìn)入采樣狀態(tài)，采樣下一個(gè)數(shù)據(jù)。： 二階有源濾波電路上面這個(gè)電路也稱作Sullenkey低通濾波電路，傳遞函數(shù)式41所示： (41) 可以看出傳遞函數(shù)H（s）有兩個(gè)極點(diǎn)，而沒有零點(diǎn)，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了PDIUSBD12和單片機(jī)AT89C51的特性和功能。PDIUSBD12芯片需占用AT89C51的一個(gè)硬件中斷，當(dāng)接口芯片收到或者是發(fā)送完USB總線數(shù)據(jù)時(shí)，這個(gè)中斷引腳會(huì)向微控制器發(fā)出中斷信號(hào)。PSEN程序存儲(chǔ)使能：當(dāng)執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器代碼時(shí)，PSEN每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)PSEN無效，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)PSEN無效。在訪問外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)時(shí)，分別作為地址高位字節(jié)和16位地址(MOVXDPTR)，此時(shí)通過內(nèi)部強(qiáng)上拉傳送1。AT89C51的管腳排列如下： AT89C51的管腳排列說明：Vss接地。由先進(jìn)CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲(chǔ)器。GL_N管腳通過一個(gè)上拉電阻接LED，LED的點(diǎn)亮和熄滅可以顯示當(dāng)前設(shè)備USB是否正在傳輸和設(shè)備是否正常。在一般情況下其該芯片可達(dá)到2Mbit /S的傳輸速率。這種實(shí)現(xiàn)USB接口的標(biāo)準(zhǔn)組件，可以使設(shè)計(jì)者在各種不同類型微控制器中進(jìn)行選擇，最大限度的利用已有的設(shè)備和開發(fā)環(huán)境。（3）需外接微控制器的芯片：這些USB控制芯片只負(fù)責(zé)處理USB相關(guān)的通信工作，而且必須由外部微控制器的控制才能正常工作。從芯片大的構(gòu)架來分，市面上所有的USB控制器芯片可以分為不需要外接微控制器的芯片和需要外接微控制器的芯片。易于擴(kuò)展。USB主要有以下優(yōu)點(diǎn):速度快。PCI總線還具有良好的擴(kuò)展性，通過PCI橋路，可允許無限地?cái)U(kuò)展。（2） 并行接口：目前，計(jì)算機(jī)中的并行接口主要作為打印機(jī)端口，并行接口是在多根數(shù)據(jù)線上以字節(jié)為單位與輸入/輸出設(shè)備或被控對(duì)象傳輸信息的，這樣數(shù)據(jù)傳送速度大大提高，且并行傳送的信息不要求固定的格式，但并行傳送的距離受到限制，因?yàn)榫嚯x增加，干擾就會(huì)增加，容易出錯(cuò)。本節(jié)簡(jiǎn)要地從USB系統(tǒng)組成、USB的傳輸、USB的數(shù)據(jù)單元、USBOTG協(xié)議。這個(gè)補(bǔ)充規(guī)范并不單是為便攜式電子設(shè)備制定的，其同樣適用于PC機(jī)的外設(shè)或任何非便擠式設(shè)備。USB己經(jīng)成為了一種PC和外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)的常用接口。不過如果要使用最新的高速傳輸。在描述符方面，還增加了新的描述符：Device_Qualifier、Other_Speed_Configuration和Interface_Power，這些描述符包含了使用非目前選擇的速度時(shí)設(shè)備的行為，只有同時(shí)支持全速與高速的設(shè)備才需要。字符串描述符：是可有可無的。設(shè)備描述符：是說明整個(gè)設(shè)備的信息，包括設(shè)備描述符長(zhǎng)度、描述符類型、USB版本號(hào)、設(shè)備類、設(shè)備子類、設(shè)備協(xié)議、端點(diǎn)0的最大分組尺寸、廠商ID、產(chǎn)品ID和設(shè)備支持的配置數(shù)等。典型用于傳送索引或偏移6wLength2計(jì)數(shù)如有數(shù)據(jù)傳送階段，此為數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)USB設(shè)備要想工作，必須對(duì)USB協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)命令請(qǐng)求做出正確響應(yīng)，只有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的請(qǐng)求正確響應(yīng)，設(shè)備才能枚舉成功，才能和上位機(jī)通信。如果所有的標(biāo)記位都被準(zhǔn)確無誤地收到，接收機(jī)中的5位剩余將是01100B。幀號(hào)字段達(dá)到其最大值OX7FFH時(shí)歸零，這個(gè)域只存在于每幀開始時(shí)的SOF令牌中。低速的設(shè)備最多支持2個(gè)端點(diǎn)0和一個(gè)附加端點(diǎn)，高速設(shè)備可以支持最多16個(gè)端點(diǎn)。對(duì)于每個(gè)包(PID)都是緊跟著SYNC的，PID指明了包的類型及其格式。等時(shí)傳輸亦稱同步傳輸，主要用于主機(jī)和設(shè)備與時(shí)間有關(guān)的信息傳輸，比如，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸(如多媒體、音、視頻數(shù)據(jù))。為了滿足不同外設(shè)和用戶的要求，USB提供了四種傳輸方式:控制傳輸(Control transfers)、塊傳輸(Bulk transfers)、中斷傳輸(Interrupt transrers)和等時(shí)傳輸(Isochronous transfers)。系統(tǒng)軟件