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正文內(nèi)容

基于usb總線(xiàn)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(專(zhuān)業(yè)版)

  

【正文】 被包含在 .inf 文件中的串號(hào)將會(huì)影響在“發(fā)現(xiàn)新硬件向?qū)А睂?duì)話(huà)框以及設(shè)備管理器和注冊(cè)表中顯示的內(nèi)容。 UART0 的波特率由方?jīng)Q定: (41) 其中 T1CLK 是定時(shí)器 1 的時(shí)鐘頻率, T1H 是定時(shí)器 1 的高字節(jié)(重載值)。這些函數(shù)提供了一個(gè)通過(guò) C8051F320 的 USB 控制器的通用 I/O接口,而不需要考慮底層的 USB 硬件細(xì)節(jié)或者協(xié)議。示意圖如圖 所示。 USB 總線(xiàn)接口層實(shí)現(xiàn)了主機(jī)和 USB 設(shè)備間數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸。在 USB 系統(tǒng)中只允許有一個(gè)主機(jī),它可以被分為三個(gè)不同的功能模塊: 客戶(hù)軟件、 USB 系統(tǒng)軟件和 USB 總線(xiàn)接口。 UART0 有兩個(gè)相關(guān)的特殊功能寄存器:串行控制寄存器( SCON0)和串行數(shù)據(jù)緩沖器( SBUF0)。也可以使用一個(gè)外部 CMOS 時(shí)鐘提供系統(tǒng)時(shí)鐘。 在進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)時(shí),將發(fā)生以下過(guò)程: 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)(畢業(yè) 論文 ) ● CIP51 停止程序執(zhí)行; ●特殊功能寄存器( SFR)被初始化為所定義的復(fù)位值; ●外部端口引腳被置于一個(gè)已知狀態(tài); ●中斷和定時(shí)器被禁止。所以設(shè)計(jì)這部分硬件電路時(shí),只要把單片機(jī)的 GND、 D+、 D、 VBUS 四根線(xiàn)連接到 J3 上即可。該 FIFO 空間被分配給端點(diǎn) 03;端點(diǎn) 13 的 FIFO 可以被配置為輸入( IN)、輸出( OUT)或輸入 /輸出(分內(nèi)割模式)。 C805lF320 把 8051 單一的外部復(fù)位發(fā)展成多源復(fù)位:上電復(fù)位、掉電復(fù)位、外部引腳復(fù)位、軟件復(fù)位、時(shí)鐘檢測(cè)復(fù)位、比較器 0 復(fù)位和引腳配置復(fù)位。 ● 供電電壓 片上的參考電源校準(zhǔn)器支持 USB 總線(xiàn)電源操作;校準(zhǔn)器的 Bypass 模式支持 USB內(nèi)部電源操作。其與 上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸是采用帶 接口的單片機(jī)作為接收控制板的核心芯片,以解決當(dāng)前筆記 本電腦不提供 RS232 接口的問(wèn)題。 (2)電路設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)潔、可靠,盡量采用集成度高的芯片,減少外圍元器件的數(shù)量。 USB 技術(shù)一出現(xiàn),人們就逐漸將其應(yīng)用到了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)中。 協(xié)議規(guī)定了 兩種速度 :低速 、高速 12Mbps,現(xiàn)有的 傳輸速率己經(jīng)高達(dá) 480Mbps,折合約 60MB/s 的峰值傳輸速率。 數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)性能的好壞,主要取決于它的精度和速度。 輸入 數(shù)據(jù)通過(guò) UART 模塊傳到控制器,然后通過(guò) USB 接口向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù),或者上位機(jī)發(fā)出控制信息傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)去。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 Firmware 。內(nèi)置式插卡容易受到 Pc 機(jī)箱內(nèi)高頻信號(hào)的干擾影響,從而降低系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性。 (3)可以采用總線(xiàn)供電。國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)較早,但就當(dāng)前市場(chǎng)而言,并沒(méi)有占據(jù)市場(chǎng)的主要份額,主要原因是高昂的價(jià)格和非漢化的操作界面使其推廣受到限制。因?yàn)镃805IF320 是帶 USB 接口 (符合 協(xié)議 )的單片機(jī),所以整個(gè)硬件部分是一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),僅需要外加輸入信號(hào)處理電路就可實(shí)現(xiàn)。 C8051F 系列單片機(jī)的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、 ADC、 DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、 SMBus/I2C、UART、 SPI、可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí) 器陣列 (PCA)、定時(shí)器、數(shù)字 I/O 端電源監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器 (WDT)、和時(shí)鐘振蕩器等。在這種通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)配置的 I/O 端口系統(tǒng)中,單片機(jī)外部為通用 I/O口,如 P0 口、 P1 口和 P2 口。 圖 USB的電纜 電 纜中包括 VBUS、 GND 二條線(xiàn),向設(shè)備提供電源 。 CPU 時(shí)鐘源與 USB 時(shí)鐘相互獨(dú)立。由于 C8051F320 中的 USB 收發(fā)器內(nèi)部集成了上拉電阻,因而不需要任何外部器件便可直接與 USB 接口相連。在復(fù)位期間和復(fù)位之后弱上拉被使能。當(dāng)選擇外部振蕩器作為系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí), CLKSL[1:0]必須被設(shè)置為 01b。 C8051F320器件具有片內(nèi) Silicon Labs 2 線(xiàn)( C2)接口調(diào)試電路,支持使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。界面應(yīng)用程序負(fù)責(zé)和 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行接口,以操縱 USB 設(shè)備并向用戶(hù)提供可視化的操作。 (3) USB 主控制器驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)為這些事務(wù)處理建立一系列以幀 /小幀為 單位的 事務(wù)處理列表,并保證其不會(huì)超過(guò) USB 的帶寬。 In_Packet[0]=Switch1State。這個(gè)句柄將在任何 USB API 中斷上被調(diào)用。在一個(gè)程序中,它的初始化程序是很重要的,如果設(shè)置不當(dāng)將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)的后果。 應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主機(jī)應(yīng)用程序采用 編寫(xiě), VB 具有面向?qū)ο?、可視?IDE、事件驅(qū)動(dòng)編程等優(yōu)勢(shì),很適用于工業(yè)上的主機(jī)應(yīng)用程序編制。每個(gè)端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字 I/O 引腳,被選擇作為數(shù)字 I/O 的引腳還可以被配置為推挽或漏極開(kāi)路輸出。 串口中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) C8051F320 提供的 UART0 是一個(gè)異步、全雙工串口,它提供標(biāo)準(zhǔn) 8051 串行口的方式 1 和方式 3,有多個(gè)時(shí)鐘源可用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波特率。程序軟件編寫(xiě)時(shí)候,需要充分了解 C8051F320 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu),對(duì)程序變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、寄存器等進(jìn)行優(yōu)化處理,提高單片機(jī) C 語(yǔ)言的編譯運(yùn)行的可靠性和效率,減少程序編譯后系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)(畢業(yè) 論文 ) 因素,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。 圖 USBXpress 數(shù)據(jù)流 在 C8051F320 中建立數(shù)組 Out Packet 用于存儲(chǔ)從主機(jī)收到的數(shù)據(jù)包,和 In_Packet[]存儲(chǔ)將要送到主機(jī)的包,數(shù)組中的每一個(gè)字節(jié)都可以靈活的在程序中設(shè)定其表示的狀態(tài)或者傳送的數(shù)據(jù)。 USB內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)(畢業(yè) 論文 ) 總線(xiàn)接口是 USB 設(shè)備中的串行接口引擎( SIE); USB 邏輯設(shè)備被 USB 系統(tǒng)軟件看作是一個(gè)端點(diǎn)的集合;功能單元被客戶(hù)軟件看作是一個(gè)接口的集合。通過(guò)和 Silicon Labs IDE 可以方便的將程序?qū)懭肫?。?dāng) USB0 工作在全速方式時(shí), USB 時(shí)鐘必須是 48 MHz;當(dāng) 工作在低速方式時(shí), USB 時(shí)鐘必須是 6MHz。系統(tǒng)在正常運(yùn)行期間可以使用外部高頻率高精確度的時(shí)鐘,在系統(tǒng)休眠或者特殊功能場(chǎng)合將時(shí)鐘切換 到內(nèi)部低頻率時(shí)鐘,以便降低功耗。當(dāng)器件工作在總線(xiàn)供 電方式時(shí), VBUS 信號(hào)只應(yīng)連接到 REGIN 引腳。 C8051F320 本身集成了全速 /低速 USB 功能,用于實(shí)現(xiàn) USB 接口的外部設(shè)備(但內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)(畢業(yè) 論文 ) 是 C8051F320 不能被用作 USB 主設(shè)備),它完全符合通用串行總線(xiàn)規(guī)范 版。 綜上所述,相對(duì)于工業(yè)上數(shù)據(jù) 通信在 以前常采用的 PCI 總線(xiàn)、 ISA 總線(xiàn)或者 RS232總線(xiàn)作為采集方式, USB 總線(xiàn)具有支持熱拔插、即插即用、支持共享式接口且體積小巧、節(jié)省系統(tǒng)資源、成本低廉性能可靠等等諸多優(yōu)點(diǎn)。編程選擇的時(shí)鐘輸出 CYSCLK 除供片內(nèi)使用外,還可從隨意選擇的 I/O 端口輸出。 ● 片內(nèi)調(diào)試模塊 片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試 (不需仿真器 );支持端點(diǎn)、單步、觀(guān)察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器;可以觀(guān)察 /修改存儲(chǔ)器和寄存器;比使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更好的性能。而客戶(hù)驅(qū)動(dòng)程序則讓主機(jī)可以識(shí)別 USB 設(shè)備,并通過(guò)應(yīng)用軟件來(lái)存取 USB設(shè)備,完成通信功能。 (3)采用科學(xué)的方法設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件 。 (5)USB 設(shè)備不涉及主機(jī)中斷請(qǐng)求 (IRQ)沖突問(wèn)題。 USB 新技術(shù)的出現(xiàn) USB 是 Universal Serial Bus(通用串行總線(xiàn),也譯為萬(wàn)能總線(xiàn) )的簡(jiǎn)稱(chēng),是 1995 年Compaq 等公司為了解決傳統(tǒng)總線(xiàn)的不足而推廣的一種新型串行通訊標(biāo)準(zhǔn)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)中最為普遍的應(yīng)用系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)部分,介 紹了具體硬件設(shè)計(jì)方案。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)(畢業(yè) 論文 ) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)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。 本 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 這一章我將簡(jiǎn)單介紹數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)、新技術(shù) USB 的出現(xiàn)對(duì)其的影響,同時(shí)引出本文的標(biāo)題《 基于 USB 總線(xiàn)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)》。對(duì)于需要野外作業(yè)的場(chǎng)合,經(jīng)常使用便攜式的 通信 設(shè)備,將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在設(shè)備中,帶回室內(nèi)再將它送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理 :或是采用專(zhuān)門(mén)的利用筆記本的電腦實(shí)現(xiàn)的采集器。如在電磁干擾比較嚴(yán)重的環(huán)境下,可以很容易設(shè)計(jì)屏蔽方案。 (2)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的選擇,其中包括硬件、軟件功能的合理分配,系統(tǒng)采用何種布局和接口方式 。單片機(jī)固件則響應(yīng)各種來(lái)自系統(tǒng)的 USB 標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求,完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理 。 ● USB 功能控制模塊 滿(mǎn)足 協(xié)議:可在全速 (12Mbps)或低速 ()下運(yùn)行;集成有一個(gè)時(shí) 鐘恢復(fù)源,對(duì)于全速或低速傳輸均可不用外部晶振;支持 8 個(gè)靈活通用的端點(diǎn);內(nèi)置一個(gè) IK 的 USB 專(zhuān)用緩沖存儲(chǔ)器;集成了一個(gè) USB 接收器,不需要外部電阻。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí),可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)切換。在每個(gè)端口都可檢測(cè)終端是否連接或分離,并區(qū)分出高速,或低速設(shè)備。在此選用的是 Silabs 公司的 C8051F320。 當(dāng)在 USB 網(wǎng)絡(luò)中使用 C8051F320 器件時(shí), VBUS 信號(hào)必須被連到 VBUS 引腳。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)(畢業(yè) 論文 ) 系統(tǒng)晶振電路 在本系統(tǒng)數(shù)據(jù) 通信 板上選擇的外部晶體振蕩器的諧振頻率為 ,與芯片的連接原理圖如圖 所示。 USB 時(shí)鐘可以來(lái)自 4 倍時(shí)鐘乘法器輸出、內(nèi)部振蕩器分頻或外部振蕩器分頻。 如圖 所示, PC 機(jī)通過(guò) USB 與串行適配器 UEC5 連接, UEC5 又通過(guò)電纜與板上的 JTAG 口相連接。 USB 設(shè)備由 3 個(gè)功能模塊組成: USB 總線(xiàn)接口、 USB 邏輯設(shè)備、功能單元。 數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程如圖 所示。但 C 語(yǔ)言編寫(xiě)程序在匯編后有代碼效率低,實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。固件編程時(shí)需要將 的頭文件包含進(jìn)去。程序執(zhí)行如下: void Usb0Init(void) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)(畢業(yè) 論文 ) { POLLWRITEBYTE(POWER, 0x08); //迫使異步 USB 復(fù)位 POLLWRITEBYTE(IN1IE, 0x07); // 使能端點(diǎn) 0~2 的輸入中斷 POLLWRITEBYTE(OUT1IE, 0x07); //使能端點(diǎn) 0~2 的輸出中斷 POLLWRITEBYTE(CMIE, 0x07); //使能復(fù)位、恢復(fù)和掛起中斷 ifdefUSBLOWSPEED USB0XCN=0xC0; // 使能 USB 的傳輸功能, //選擇其低速傳送方式 POLLWRITEBYTE(CLKREC, 0xA0); //使能時(shí)鐘恢復(fù)功能,不采用 //單步模式,使能低速傳輸 else USB0XCN=0xE0; //使能 USB 的傳輸功能, //選擇其全速傳送方式 POLLWRITEBYTE(CLKREC , 0x80) ; // 使能時(shí)鐘恢復(fù)功能,不采用 //單步模式,使能全速傳輸 endif/*USBLOWSPEED*/ EIE1=0x02; //使能 USB0 中斷 EA=1; //使能全部中斷 POLLWRITEBYTE(POWER, 0x01); //清除電源控制寄存器的位 //來(lái)使能掛起檢測(cè) } C8051F320 有 25 個(gè) I/O 引腳,它的端口工作情況與標(biāo)準(zhǔn) 8051 相似,但有一些改進(jìn),內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)(畢業(yè) 論文 ) 即是用戶(hù)可 根據(jù)自己的特定應(yīng)用自由選擇通用端口 I/O 和所需要的數(shù)字資源的組合。 在對(duì) USB 設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)的程序設(shè)計(jì)中, Silicon Laboratories 提供的 USBXpress 開(kāi)發(fā)工具包中以 Windows 動(dòng)態(tài) 鏈接庫(kù)( DLL, Dynamic Link Library)的形式提供了一套簡(jiǎn)單高效的應(yīng)用程序接口,函數(shù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用程序?qū)?USB 總線(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)用和管理。 例如系統(tǒng)時(shí)鐘初始化程序 SYSCLKInit( ),在外部晶振時(shí),設(shè)置比較復(fù)雜,很容易出錯(cuò),一定要注意在使能晶體振蕩器和檢查 XTLVLD 位 之間要引入至少 1ms 的延時(shí),來(lái)防止提前將系統(tǒng)時(shí)鐘切換到外部振蕩器,如果在晶體振蕩器穩(wěn)定之前就切換到外部晶體振蕩器,可能產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)的后果。一旦進(jìn)入這個(gè) ISR,調(diào)用Get_Interrupt_Source 函數(shù)來(lái)確定中斷的來(lái)源(這個(gè)調(diào)用也清除未決的中斷標(biāo)志
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