【正文】 中的更高層通過UHCD的軟件接口與主控制器通信。主機(jī)和設(shè)備間的通信最終發(fā)生在物理線路上，然而，在每一水平層之間存在著邏輯接口。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)。隨著大規(guī)模集成電路與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將在雷達(dá)、通信、水聲、遙感、語(yǔ)音處理、智能儀器、工業(yè)自動(dòng)化以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著USB總線的發(fā)展，USB總線接口在嵌入式系統(tǒng)以及個(gè)人電腦的外圍設(shè)備中的應(yīng)用發(fā)展非常迅速。 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(gè)計(jì)算機(jī)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。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(diǎn)：1)設(shè)備安裝和配置容易。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(gè)指定的IRQ(中斷請(qǐng)求)，在某些情況下也可以是一個(gè)DMA通道。 采用USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。這種地址分配的方法已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)，軟件開發(fā)者要根據(jù)指定的設(shè)備進(jìn)行訪問。USB設(shè)備支持即插即用，安裝USB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)。同一年，該聯(lián)盟建立了實(shí)施者論壇(以下簡(jiǎn)稱USBIF)來加速USB標(biāo)淮的高質(zhì)量兼容設(shè)備的開發(fā)。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的市場(chǎng)上使用USB接口的數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、移動(dòng)硬盤、鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備隨處可見。數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展是人機(jī)交互、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制的基礎(chǔ)。同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了PDIUSBD12和單片機(jī)AT89C51的特性和功能。主機(jī)中客戶程序軟件與設(shè)備功能間的通信代表了設(shè)備需求與設(shè)備能力之間的約定。USB驅(qū)動(dòng)程序(USBD)位于UHCD之上，它提供驅(qū)動(dòng)器級(jí)的接口，滿足現(xiàn)有設(shè)備驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的要求。它們?cè)跀?shù)據(jù)格式、通信流方向、數(shù)據(jù)包容量限制、總線訪問限制、所要求的數(shù)據(jù)順序等方面有著各自不同的特征。同步傳輸不對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，它主要保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，適用于實(shí)時(shí)性要求比較高的場(chǎng)合，具有周期性、連續(xù)性的特點(diǎn)。主機(jī)和所有的外設(shè)都必須對(duì)接收到的PID域進(jìn)行解碼，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤或者解碼為未定義的值，那么這個(gè)包就會(huì)被接收者忽略，如果外設(shè)接收到一個(gè)PID，它所指明的操作類型或者方向不被支持，外設(shè)將不做出響應(yīng)。.端點(diǎn)域：附加的4位的端點(diǎn)(ENDP)字段允許對(duì)那些需要不只一個(gè)子信道的功能部件進(jìn)行更靈活的尋址。數(shù)據(jù)域(Data)：數(shù)據(jù)字段可以在0到1，023字節(jié)之間變動(dòng)，但必須是整數(shù)個(gè)字節(jié)。(2)數(shù)據(jù)CRC數(shù)據(jù)CRC是作用于數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)字段上的16位多項(xiàng)式。一般情況下，USB設(shè)備必須支持的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求有11個(gè)命令，對(duì)應(yīng)的代碼和說明如表24所列。它用來配置設(shè)備，一個(gè)設(shè)備只能有一個(gè)設(shè)備描述符。但是，如果一個(gè)設(shè)備無字符串描述符，所有其它描述符中有關(guān)字符串描述符的索引都必須為0。Device_Qualifier描述符：當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)換速度時(shí)候，設(shè)備描述符中的某些字段可能改變。集線器會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換外圍設(shè)備的速度。由于日益增加的便攜式外設(shè)都使用USB接口和PC機(jī)進(jìn)行通信，因此如果能實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備相互之間的通信將會(huì)帶來很大的方便，但是USB的某些規(guī)范使之實(shí)現(xiàn)起來有困難，尤其是USB通信只發(fā)生在一個(gè)主機(jī)和一個(gè)外設(shè)之間。：雙重功能設(shè)備:允許設(shè)備以主機(jī)和外設(shè)兩種形式工作。從這些介紹中可以看出，適用于大多數(shù)中低速設(shè)備；，并增加了一些新的特性，速度可高達(dá)480Mb/s，使得原來USB不能用于視頻的傳輸也可以實(shí)現(xiàn)；以上這兩種協(xié)議雖然可以滿足大多數(shù)系統(tǒng)的需要，但在實(shí)際的通信過程中必須有主機(jī)的參與，離開了主機(jī)，設(shè)備便不可工作；而USBOTG的出現(xiàn)正是為了解決這個(gè)問題，而不是一個(gè)獨(dú)立規(guī)范。（3）ISA總線ISA總線是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線，又稱為AT總線。但PCI總線主要用于提高系統(tǒng)的性能。USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps。通過使用Hub擴(kuò)展，可接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。而不需要外接微控制器的芯片又可以分為專門為USB設(shè)計(jì)的芯片和嵌入通用微控制器內(nèi)核的芯片。如果選擇了這種設(shè)計(jì)方按，那么必須再選擇一個(gè)微控制器芯片，這樣就增加了設(shè)備的體積。微控制器分離的接口器件是開發(fā)USB設(shè)備較為快捷、經(jīng)濟(jì)的選擇。芯片中串行輸入引擎(SIE)模塊起著至關(guān)重要的作用，主要完成所有的USB協(xié)議層功能，例如同步模式識(shí)別、并/串轉(zhuǎn)換、位填充/去填充、CRC檢驗(yàn)/產(chǎn)生、包PID產(chǎn)生/確認(rèn)、地址識(shí)別、握手信號(hào)包響應(yīng)/產(chǎn)生。ALE管腳與單片機(jī)的ALE管腳相連，此時(shí)可以把八位數(shù)據(jù)端口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。全部支持12時(shí)鐘和6時(shí)鐘操作，包含128字節(jié)和256字節(jié)RAM、32條I/O口線、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、6輸入4優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)串行I/O口(可用于多機(jī)通信I/O擴(kuò)展或全雙工UART)，以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。Vcc電源：提供掉電、空閑、正常工作電壓。當(dāng)使用8位尋址方式(MOVRi)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口發(fā)送P2特殊功能寄存器的內(nèi)容。EA/Vpp外部尋址使能/編程電壓：在訪問整個(gè)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，EA必須外部置低。ADC0809內(nèi)八通道多路轉(zhuǎn)換器由89C51控制將某一路信號(hào)接入系統(tǒng)。最后，闡述了數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。猶豫在這個(gè)系統(tǒng)中我取的截止頻率wc為200KHZ，因此我可以采用巴特沃斯逼近公式來求RRCC2 如式43所示： （42） (43) 式42中的wn是歸一化頻率，H（s）所式43所示的一般形式。采樣/保持器的模擬電源不能從USB總線電纜得到，需外接獨(dú)立的穩(wěn)壓電源。下圖所示為89C51與D12集成電路相互連接的簡(jiǎn)圖： AT89C51與PDIUSBD12連接電路89C51可以用地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用/非復(fù)用兩種連接方式，設(shè)計(jì)中采用了非復(fù)用方式。雖然D12可以編程輸出時(shí)鐘，但由于D12上電復(fù)位時(shí)默認(rèn)時(shí)鐘頻率為4MHZ，欲讓MCU工作在12MHZ/24MHZ，必須通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，而單片機(jī)在程序執(zhí)行過程中無法改變時(shí)鐘頻率。將此引腳與MCU的某個(gè)I/O腳相連，當(dāng)MCU檢測(cè)到D12進(jìn)入掛起狀態(tài)，且它也沒有其它待處理事物時(shí)，也進(jìn)入休眠狀態(tài)。若上拉電阻采用總線供電，而HUB的主控制器用本地電源供電，則可檢測(cè)到設(shè)備連接，但讀取描述符出錯(cuò)。USB接口電路部分：主要是設(shè)備檢測(cè)和抗干擾電路。因此需要將D+接一個(gè)1M的下拉電阻，而D接一個(gè)1M的上拉電阻。 USB掛起恢復(fù)喚醒電路如圖中所示，當(dāng)PDIUSBD12從掛起狀態(tài)恢復(fù)時(shí)，D12SUSPD端從高電平變成低電平，經(jīng)過兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC123，RESUME端輸出一個(gè)正脈沖以復(fù)位/喚醒89C52。首先我了解基于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(shì)：易實(shí)現(xiàn)、成本低、快速、兼容性強(qiáng)。 由于設(shè)計(jì)是基于USB進(jìn)行的，在設(shè)計(jì)過程中查閱了大量的有關(guān)USB和數(shù)據(jù)采集器方面的知識(shí)，因此，通過本設(shè)計(jì)使我對(duì)USB的協(xié)議和它的結(jié)構(gòu)組成有了一定的了解，對(duì)數(shù)據(jù)器芯片的功能有了深刻的了解。其次，要特別感謝指導(dǎo)老師劉橋老師，劉老師在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中給了我很大的幫助，他的嚴(yán)格要求和對(duì)學(xué)術(shù)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，深深的感染了我，我有必要像他那樣無論在什么事上，都以自己最認(rèn)真的態(tài)度去對(duì)待，正是他不懈的指導(dǎo)和督促，才使得我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)得以順利的完成。劉老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、忘我的工作精神時(shí)時(shí)激勵(lì)著我不斷進(jìn)取。在設(shè)計(jì)過程中，我們也遇到了很多困難，在硬件方面由于之前沒有接觸USB接口控制芯片，不知道其工作原理。具體地從USB系統(tǒng)組成、USB的傳輸、USB的數(shù)據(jù)單元、USBOTG協(xié)議。這里單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC123的作用是能夠防止D12SUSPD引腳上的干擾脈沖導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用的是德州儀器的SN75240芯片。擴(kuò)展端口：用于與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接和系統(tǒng)調(diào)試。 USB接口硬件設(shè)計(jì)USB接口部分的硬件電路設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)與USB總線的連接，USB總線的數(shù)據(jù)傳輸，檢測(cè)總線的掛起于復(fù)位，USB通訊的狀態(tài)指示，抗干擾等功能。D12提供了兩種連接方式:(一)用內(nèi)部上拉電阻與軟件編程。但這增加了電路的復(fù)雜性。A0可與89C51的任意一個(gè)I/O口相連。此外該保持電容對(duì)采樣/保持電路的性能影響很大，應(yīng)盡量選擇高檔的電容。ADC0809要求輸入信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換期間保持穩(wěn)定。由香農(nóng)采樣定理知:要能從不失真地采樣信號(hào)中復(fù)現(xiàn)原連續(xù)信號(hào)，采樣頻率必須大于或等于信號(hào)頻率的兩倍。每次A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)由主機(jī)軟件的DveiceIoConrtol命令來啟動(dòng)。該引腳在對(duì)FLASH編程時(shí)接5V/12V編程電壓(Vpp)。當(dāng)作為輸入腳時(shí)，被外部拉低的P3口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。P0也可以在訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)作地址的低字節(jié)，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作數(shù)據(jù)總線，此時(shí)通過內(nèi)部強(qiáng)上拉輸出1?？蓪?shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式空閑模式和掉電模式。端點(diǎn)1規(guī)定為同步模式的USB數(shù)據(jù)傳輸(只能為中斷傳輸或者批量傳輸)，有IN和OUT兩個(gè)方向。在USB的D+和D一數(shù)據(jù)線上，為了消除連線上可能的外界干擾，需要分別連接一個(gè)1兆歐姆的下拉電阻。 PDIUSD12引腳圖PDIUSD12芯片八位并行I/O口線DATA0至DATA7具有可控的三態(tài)門電路，故而PDIUSD12芯片可以直接與AT89C52的數(shù)據(jù)總線相連。既然需要外接微控制器，這些芯片就必須提供一個(gè)串行或者并行的數(shù)據(jù)總線來與微控制器進(jìn)行連接。較為典型的代表為Cypress公司推出的CY7C63101A、CY7C63723等等。USB共有4種傳輸模式:控制傳輸(control)、同步傳輸（Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。相比之下，串口數(shù)據(jù)傳輸率是115kbps~230kbps，標(biāo)準(zhǔn)并口的數(shù)據(jù)傳輸率為IMbps，這些都遠(yuǎn)低于UBS的傳輸速率。它們?cè)谑褂眠^程中安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，受到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源、插槽數(shù)量限制，不易擴(kuò)展。盡管ISA總線傳輸速率低、占用硬件中斷資源、不支持即插即用，但I(xiàn)SA具有良好的兼容性及廣泛的應(yīng)用，而且這種總線特別適合于控制外設(shè)和進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能模塊。3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)方案的確定 數(shù)據(jù)采集器接口的選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的接口可以有多種方式，如RS232串行口、并行口、ISA總線、PCI總線、USB等。超小連接器：除了標(biāo)準(zhǔn)的A和B系列連接器外，增加了微型連接器MiniAB，這些連接器比最初的USB連接器要小許多，更適合于便攜式設(shè)備。要求大量的便攜式設(shè)備都具有上述特性是不現(xiàn)實(shí)的，而且在很多情況下，并不需要使用到這些特性。取得了滿意的效果。設(shè)備