【正文】 備 ............................................... 49 讀取設備數(shù)據(jù) ............................................... 50 關閉 USB 設備 ............................................... 51 應用程序界面設計及其功能 ....................................... 51 應用程序開發(fā)環(huán)境 ........................................... 51 應用程序功能的實現(xiàn) ......................................... 52 7 結(jié)論與展望 ........................................................ 53 論文的結(jié)論 ..................................................... 53 展 望 .......................................................... 54 參考文獻 ............................................................. 55 致 謝 ................................................................ 57 附錄 ................................................................. 58 河南師范大學本科畢業(yè)論文 VII 前 言 在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究等行業(yè)中，常常需要利用 PC 或工控機對各種數(shù)據(jù)進行采集處理，如液位、溫度和壓力等。 河南師范大學本科畢業(yè)論文 1 1 USB 的發(fā)展 USB（ Universal Serial Bus，通用串行總線）作為一種新的外設連接技術，最初是由 Compag， DEC， IBM， Intel， Microsoft， NEC 和 Northern Tele 等七大業(yè)內(nèi)巨頭共同開發(fā)的。 目前計算機幾乎都支持 協(xié)議，如果支持 協(xié)議，那么系統(tǒng)的 USB 主機就必須包含 根集線器，用于給系統(tǒng)提供一個或多個設備端口；同時，系統(tǒng)還必須安裝相應的驅(qū)動程序。而且，集線器也可為連接在它上面的 USB 設備提供電源。通信流利用總線訪問來完成主機和功能設備之間的通信 。主機上的軟件通過一組通信流與邏輯設備通信。 2. 消息 ：在管道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有某些 USB 定義的結(jié)構，只能用于控制傳輸。一幀（或微幀）數(shù)據(jù)可包含幾種事務。如果接收的 數(shù)據(jù)包有 CRC 或者位填充錯誤，那么將不返回任何握 河南師范大學本科畢業(yè)論文 10 手包。 中斷傳輸 中斷傳輸主要用于定時查詢設備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳輸，是一種主機定時偵聽設備。 四種傳輸方式的總結(jié) 圖 212 同步傳輸 河南師范大學本科畢業(yè)論文 13 控制傳輸在所有的 USB 設備中都需要使用，因為主機對 USB 設備的配置命令都需要通過控制傳輸來傳送，而設備的描述信息也需要通過控制傳輸傳遞給主機。這樣，在每七個位周期時間內(nèi)，就給了接收器邏輯一次數(shù)據(jù)跳變，從而保證了數(shù)據(jù)和時鐘鎖定。這種類型的接口芯片常用的有 Philips公司的 PDIUSB111A 與 12 系列 [13]， National Semiconductor 公司推出 USBN9602/9603 以及NetChip 公司的 NET2888 與 NET2890 等等。論文中選用的是 56pin SSOP 封裝的 CY7C68013，考慮到 FX2 系列芯片的內(nèi)部結(jié)構相同，將詳細介紹 FX2 的特點。 GPIF 能以比 FIFO 數(shù)據(jù)速率還要快的速度運行，這就為定時信號提供了很好的可編程解決方案，比如時序電路等。這兩步的過程稱為“重枚舉”。 WAKEUP為喚醒引腳，在 8051 和芯片的其他部分為低功耗狀態(tài)時， USB 系統(tǒng)掛起； PLL 和晶振停止工作，當外部 邏輯觸發(fā) WAKEUP，晶振重新工作之后， PLL 趨于穩(wěn)定；同時，8051 也會收到一個喚醒中斷。 圖 35 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖 河南師范大學本科畢業(yè)論文 24 圖 36 MAX125 時鐘電路 電源轉(zhuǎn)換電路設計 在本設計中，需要三種大小不同的供電電源，除了 MAX125 需要的 5V 供電電源外，還有 CY7C68013 需要的＋ 的供電電源。 24LC64 可以一次寫入 32 字節(jié)，可以任意或連續(xù)的讀出 8K 字節(jié)數(shù)據(jù)。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 3) 中斷處理：包括處理各 種中斷的程序代碼。 // 設置端點 1IN 有效，批量傳輸 SYNCDELAY。而函數(shù)。 // 設置 IFCLK 時鐘頻率為 48MHz EP1OUTCFG = 0xA0。 FX2 固件典型架構 編寫固件程序比較復雜，需要調(diào)用大量函數(shù)，但基本框架卻相對簡單，包括以下三個基本的過程 [22]： 1) 初始化：包括處理器和 EZUSB 寄存器的初始化。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。該部分電路主要芯片選用具有 I C 總線接口的 EEPROM 芯片 24LC64。晶振內(nèi)部有晶體和振蕩電路，不需要輸入信號源，直接可產(chǎn)生頻率。 SCL 和 SDA 分別為 I2C 總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線，在 CY7C68013 中， I2C 控制器是漏極開路的，因此將這兩個引腳分別通過一個 電源上。當插上外圍設備時，設備首先通過 USB 總線下載的是 8051 的固件和設備描述符。 FIFO 也可能被 GPIF 的內(nèi)部 FX2 時鐘發(fā)生器控制，這時， GPIF 就用作一個內(nèi)部主機，直接和 FIFO 連接并產(chǎn)生用戶定義的控制信號來控制外部的邏輯接口。 芯片性能介紹 CY7C68013[14]的性能特點 CY7C68013 屬于 Cypress 公司的 EZUSB FX2 系列。這類的芯片只處理 USB 相關的通信工作，必須外加一個微控制器（ MCU）來管理 USB控制器的寄存器、設備描述符的獲取和數(shù)據(jù)包的交換等，芯片提供一個串行或并行的數(shù)據(jù)總線來與控制器進行連接。 圖 213 采用 NRZI 編碼和差分信號的傳輸方式 河南師范大學本科畢業(yè)論文 14 圖 NRZI 數(shù)據(jù)編碼 位填充 數(shù)據(jù)編碼序列： 圖 215 位填充 為了保證足夠的信號跳 變，傳輸設備在總線上發(fā)送包時都使用位填充技術，如圖 215 所示。同步傳輸不使用數(shù)據(jù)輪換位機制，在全速模式時，同步數(shù)據(jù)只使用 DATA0 PID 標志；在高速模式時，同步數(shù)據(jù)使用 DATA0、 DATA DATA2 和 M DATA。如果控制傳輸沒有數(shù)據(jù)階段，那么狀態(tài)階段由輸入事務構成。 2） NAK：表示數(shù)據(jù)被無錯地接收，但是由于功能設備暫時的條件（比如說，緩沖區(qū)滿了）而阻止它接收數(shù)據(jù)，因此主機應該重發(fā)數(shù)據(jù)。這時， IRP 應該被取消，管道應該被終止，并且任何和該管道有關的掛起的 IRP 也應該被取消。管道可以通過存儲器的緩沖區(qū)在主機軟件與設備端點之間傳輸數(shù)據(jù)。當總線訪問是在 USB 上移動數(shù)據(jù)包時，主機控制器也協(xié)同操作。功能設備根據(jù)不同的客戶軟件與功能設備的相互作用對通信流有不同的要求。那些完全依靠電纜提供能源的設備稱作“總線功能”設備。本章將介紹設計USB 設備所必須的基本知識。 4. 設備能夠直接由 USB 總線進行供電。 and the testing result of the firmware was listed at the end of the firmware part。其中硬件部分具體描述了 控制器 CY7C68013 和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 MAX125 的接口設計，同時也給出了各種電源轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法。采用 USB 總線接口的采集系統(tǒng)具備了如下優(yōu)點： 1. 設備安裝和配置容易。 USB 設備的迅速增加，設備與設備之間的直接數(shù)據(jù)傳輸變得越來越迫切， USBOTG (OnTheGo)技術應運而生 [5][6][7]，它于 20xx 年 12 月底制定，賦予了設備雙重身份。 USB 的電源 USB 的電源主要包括兩方面： 圖 24 USB 總線拓撲結(jié)構 河南師范大學本科畢業(yè)論文 5 由于集線器和電纜中的信號傳輸有定時限制，該星形拓撲結(jié)構的最大層數(shù)為 7 層（包括根層）。接口是端點聚集而成的端點集，是功能設備的體現(xiàn)。USB 系統(tǒng)軟件用這個默認的控制方式對邏輯設備進行初始化 和一般的操作（比如配置邏輯設備），就像默認的控制管道一樣。對于沒有填滿 IRP 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的短輸入信息包 IRP（即小于數(shù)據(jù)有效載荷的最大值），根據(jù)客戶程序的要求，可能是以下兩種含義中的一種： 1. 客戶程序可能期望 IRP 中數(shù) 據(jù)總量的大小可變。 NAK 表示設備暫時不能返回數(shù)據(jù)，而 STALL 表示端點永久地被停止，需要 USB 系統(tǒng)軟件的干預。如果數(shù)據(jù)量超過了先前確定的數(shù)據(jù)包的大小，數(shù)據(jù)將在幾個事務中分別傳輸。作為對數(shù)據(jù)包接收的反應，如果主機無錯的被接收數(shù)據(jù)，則發(fā)出 ACK 握手包；如果數(shù)據(jù)包損壞，則不返回握手包。對數(shù)據(jù)進行 編碼和采用差分信號 進行傳輸有助于確保數(shù)據(jù)的完整性和消除噪聲干擾。 當系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)自動識別設備并加載驅(qū)動程序， USB 控制器的固件程序可通過 USB 電纜從主機下載到其內(nèi)部程序 RAM 中，并經(jīng)過枚舉和重枚舉后開始正常工作， PC 可以通過應用程序取得系統(tǒng)的各種配置信息。 1) 精度：與系統(tǒng)測量的信號范圍有關，但估算時要考慮到其他因素，轉(zhuǎn)換器位數(shù)應該比總精度要求的最低分辯率高一位。 圖 32 FX2 56－ pin 封裝結(jié)構簡圖 河南師范大學本科畢業(yè)論文 19 2) 通常的系統(tǒng)應用。 ④ 由固件裝載設備驅(qū)動程序，將設備的固件下載到 FX2 芯片上。它有一個片內(nèi)鎖相環(huán)（ PLL）電路，利用 PLL 可以把 24MHz 振蕩器頻率倍頻至480MHz 供收發(fā)器使用。 CS 引腳接地，隨時能夠讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 NCP1729 采用節(jié)省空間的 TSOP6（ SOT236）封裝。當 USB 外設（ CY7C68013 為控制器）接到主機后，通過 EZUSB 控制面板將程序下載到 CY7C68013，然后才能通過 Keil C 進行調(diào)試。實際上，針對本論文，在一個 USB 傳輸中， CY7C68013 中集成的 SIE 能夠處理很多 任務，如解釋 USB 協(xié)議等。下面是固件中的主要功能模塊。 // 使能 FX2 的雙自動指針特性 Rwuen = TRUE。 EP2BCL = 0x80。循環(huán)延時 1 秒后重新枚舉設備，直到端點 0 收到SETUP 包退出循環(huán)，進入循環(huán)語句 while，程序執(zhí)行任務調(diào)度，任務調(diào)度就是依次 執(zhí)行下面任務： 1) 調(diào)用用戶函數(shù) TD_Poll（）。固件的設計就是使在 USB 總線上的傳輸能獲得快速的、有效的數(shù)據(jù)傳輸速度。 圖 311 I2C 接口的 EEPROM 電路 河南師范大學本科畢業(yè)論文 27 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的固件程序設計 本章主要介紹本系統(tǒng)的固件開發(fā)，重點闡述固件的開發(fā)環(huán)境、支持工具、固件框架以及固件各模塊的具體實現(xiàn)。 圖 37 +5V 電源選擇電路圖 5V 電源設計 5V 電源是 MAX125 的供電電源，本設計中，選用的是 NCP1729 電壓反相器將+5V 電壓轉(zhuǎn)換為 5V 電壓。 A/D 采樣通道設計 論文中，采用的是 CY7C68013 的 GPIF 工作模式，因此直接使用了 GPIF 的 16 位并行接口。圖 33 為 MAX125 的引腳分布圖。 2）每個指令周期只包含四個時鐘周期。 FX2 的 SIE 可以在 (12 Mbps) 和高速 (480 Mbps)兩種速率下運行。 在本設計中，主要考慮到應用 技術，使整個數(shù)據(jù)采集設備小型化，連接電路簡單三個方面的因素，選擇了內(nèi)部嵌入了微控制器，并且支持 協(xié)議的 接口芯片 CY7C68013，該芯片屬于 Cypress 公司的 FX2 系列。當應用程序發(fā)出接收數(shù)據(jù)的請求，并有設備發(fā)出相應的響應時開始傳輸數(shù)據(jù)。圖 213 就是在通過 USB 數(shù)據(jù)線進行信息傳輸時包含的步驟。一收到輸入標記，設備便可返回數(shù)據(jù)、 NAK 或 STALL。在建立階段， SETUP 事務