【文章內(nèi)容簡介】 。本次 PC 端主要模塊即為 VC++圖形界面的設計，要求界面包括如下指標及參數(shù)的設定： 設備打開成功與否，狀態(tài)顯示。 向設備輸入數(shù)據(jù)顯示和設備相關信息顯示。 頻率設置、占空比設置、脈沖個數(shù)設置、脈沖輸出使能設置窗口。 發(fā)送按鈕、清除按鈕。 PC 客戶軟件 USB 接收模塊 IQUE模塊 電源模塊 時鐘與復位模塊 脈沖產(chǎn)生模塊 BNC 輸出 其他引出接口 BDM 調(diào)試模塊 狀態(tài)顯示模塊 USB 驅(qū)動程序 主機 USB其他程序與接口 UF32 核心處理模塊 圖 系統(tǒng)設計框圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 8 退出按鈕。 MCU 端 USB 和 PULSE 模塊設 計 由于 UF32 內(nèi)部集成了 控制模塊，所以 USB 通信協(xié)議由 MCU 程序中設置相應 USB 相關寄存器和初始化該模塊，設定 USB 接收發(fā)送的相關中斷完成對USB 工作的基本環(huán)境。 UF32的 USB 6個端點，其中 1端點作為默認的零號控制端點使用， 3 端點可以各自使用內(nèi)部 64 字節(jié)的寄存器緩沖區(qū)， 5 端點可以使用 UF32 的集成隊列模塊 (IQUE)進行數(shù)據(jù)緩沖，這個模塊是一個類似于 DMA方式的模塊，用于外設和內(nèi)存之間傳送數(shù)據(jù)，而不需要 CPU 的干預。 使用 5端點作為 USB 的批量傳輸輸 入輸出端口，那么在高速模式情況下，端點一次最多可以發(fā)送 512 個字節(jié)，且端點 5的端點緩沖區(qū)不在 ，而是在 IQUE的寄存器設置，來確定最終將數(shù)據(jù)存到所映射的 QRAM的某個位置。這樣 PC上傳下來的數(shù)據(jù)將保存到該 QRAM中， CPU要讀取數(shù)據(jù)，可以直接通過對 QRAM相應地址讀數(shù)據(jù)即可。 PULSE（脈沖）產(chǎn)生模塊，采用 UF32 內(nèi)部集成的增強定時器（ ECT_16B8C）模塊，利用單通道的輸出比較（ OC）模式，并允許比較成功中斷，設置相關寄存器設置比較成功中斷并輸出翻轉(zhuǎn)。利用分別不同時刻交替的向 TCx 賦值為HighTime 和 LowTime 來完成占空比和頻率可調(diào)。每次進入中斷后檢測 Mun 是否超出預先設置值，再在最后判斷是否輸出使能，并再次允許中斷，啟動定時器。重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 9 第三章 通信接口設計 引言 計算機總線是計算機各部件之間進行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?，根?jù)信號類型的不同，微型計算機的總線一般分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線 三種 。 在基于8Ox86 系列 CPU 的 PC 系統(tǒng)中所采用的標準總線主要有 PC 漢 T 總線、 SIA 總線、 EISA 總線、MAC 總線以及 VESA、 PCI、 AGP 總線，其中后三種總 線屬于局部總線，也是性能比較高、傳輸速度比較快的總線結(jié)構。 USB 不是一種新的總線標準，而是應用在 PC 領域的接口技術。目前主板中主要是采用 和 ，各 USB 版本間能很好的兼容。 USB 用一個 4 針插頭作為標準插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設連接起來，最多可以連接 127 個外部設備，并且不會損失帶寬。 USB需要主機硬件、操作系統(tǒng)和外設三個方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持 USB 功能的控制芯片組，主板上也安裝有 USB 接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上還預留有 USB 插針，可以通過連 線接到機箱前面作為前置 USB 接口以方便使用。而且 USB 接口還可以通過專門的 USB 連機線實現(xiàn)雙機互連，并可以通過 Hub 擴展出更多的接口。 USB 具有傳輸速度快（ 是 12Mbps， 是 480Mbps, 是 5 Gbps），使用方便，支持熱插拔，連接靈活，獨立 供電等優(yōu)點，可以連接鼠標、鍵盤、打印機 等 。USB 的版本： 第一代： 。 第二代： 的最大傳輸速率高達 480Mbps。 的接口是相互兼容的。 第 三代： 最大傳輸速率 5Gbps, 向下兼容 USB USB 接口設計必須具備的基礎知識 USB 基本結(jié)構 USB 是一種支持熱插拔的高速串行傳輸總線，它使用差分信號來傳輸數(shù)據(jù)，重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 10 最高速度可達 480Mb/S。 USB 支持 “總線供電 ”和 “自供電 ”兩種供電模式。在總線供電模式下，設備最多可以獲得 500mA 的電流。 被設計成為向下兼容的模式，當有全速（ USB ）或者低速（ USB ）設備連接到高速（ USB ）主機時，主機可以通過分離傳輸 來支持它們。一條 USB 總線上，可達到的最高傳輸速度等級由該總線上最慢的 “設備 ”決定，該設備包括主機、 HUB 以及 USB 功能設備。 USB 體系包括 “主機 ”、 “設備 ”以及 “物理連接 ”三個部分。其中主機是一個提供 USB接口及接口管理能力的硬件、軟件及固件的復合體，可以是 PC，也可以是 OTG 設備。一個 USB 系統(tǒng)中僅有一個 USB 主機；設備包括 USB 功能設備和USB HUB，最多支持 127 個設備；物理連接即指的是 USB 的傳輸線。在 USB 系統(tǒng)中，要求使用屏蔽的雙絞線。 以下為 USB系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的 結(jié)構圖，下面將對其進行一一說明。 USB 主機 USB 的所有數(shù)據(jù)通信（不論是上行通信還是下行通信）都由 USB 主機啟動，USB 主機在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中占 主導地位。在 USB 系統(tǒng)中，只允許一個主機。USB 主機 分為 3 個不同的功能模塊：客戶軟件、 USB 系統(tǒng)軟件和 USB 總線接口。 USB 設備 一個 USB 設備由 3 個功能模塊組成： USB 總線接口、 USB 邏輯設備和功能單圖 USB 通信架構圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 11 元。這里的 USB 總線接口指的是 USB 設備中的串行接口引擎（ SIE）； USB 邏輯設備被 USB 軟件看作是一個端點的集合；功能單元被客戶軟件看作是一個接口的集合。 SIE、端點和接口都是 USB 設備的組成單元。 USB 設備使用各種描述符來說明 其設備構架，包括設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符 、 字符串描述符 和管道 ，它們通常被保存在 USB 設備的固件程序中。 USB 物理特性與接口設計方法 USB 接口 USB 使用一 根屏蔽的 4 線電纜與網(wǎng)絡上的設備進行互聯(lián)。數(shù)據(jù)傳輸通過一個差分雙絞線進行，這兩根線分別標為 D+和 D；另外兩根線 Vcc 和 GND，其中 Vcc向 USB 設備供電 。 其引線定義： 表 引腳編號 信號名稱 纜線顏色 1 Vcc 紅 2 D 綠 3 D+ 白 4 GND 黑 USB 連接頭 A 型連接頭用于上行連接，即接主機或集線器， B 型連接頭用于下行連接，USB 設備上一般用 B 型插座。 A 型連接頭 B 型連接頭 1 2 3 4 1 2 4 3 圖 USB A、 B 型接口圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 12 USB 信號 數(shù)據(jù)在 USB 總線上實際傳輸時，使用的是 NRZI（反向不歸零）編碼的差分信號，這種信號有利于保證數(shù)據(jù)的完整性和消除噪聲干擾。 差分信號技術 傳統(tǒng)的傳輸方式大多使用一個臨界值來分別來區(qū)分 1 和 0。差分信號技術最大的特點是：必須使用兩條線路才能表達一個比特位，用兩條線路傳輸信號的壓差作為判斷 1 還是 0 的依據(jù)。 編碼格式 （ 1）方向不歸零編碼由發(fā)送信息的 USB 代理程序完成； （ 2）被編碼的數(shù)據(jù)通過差分驅(qū)動器送到 USB 電纜上； （ 3）接收器將輸入的差分信號放大，將其送給解碼器。 傳輸結(jié)構 圖： 通信協(xié)議 USB 事務處理由一系列具有特定格式的信息包組成。 要了解完整的 USB 通信協(xié)議，必須從 USB 的信息傳輸單元包及其數(shù)據(jù)域談起 。 在低速、全速模式下，主機每間隔 1ms(這個 1ms稱為一幀 )發(fā)送一個幀開始令牌包 SOF(Start of Frame)。包含 SOF 標記、幀序列號及 CRC5 校驗碼 ； 在高速模式下，主機每間隔 1/8ms（即為一微幀 ）發(fā)送一個幀開始令牌包 SOF。 包（ Packet）是 USB 系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕?本單元，所有數(shù)據(jù)都是經(jīng)過打包后在總線上傳輸?shù)摹?USB 包由 5 部分組成：同步（ SYNC）字段、包標識符（ PID）、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗（ CRC）字段和包結(jié)尾（ EOP）字段。 基本包格式： 表 SYNC PID DATA CRC EOP NRZI編碼器 差分驅(qū)動 器 NRZI解碼器 差分驅(qū)動器 D+ D 電纜段 圖 USB 通信線路示意圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 13 信息包格式 根據(jù)信息包所實現(xiàn)的功能，其可以分為 3 種類型：令牌包、數(shù)據(jù)包和握手包。其中，令牌包定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)念愋?，?shù)據(jù)包含有需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，握手包指明了數(shù)據(jù)接收的成功與否。 令牌包 在 USB 系統(tǒng)中，只有主機才發(fā)出令牌包 ，它是事務處理的第一階段。 令 牌包格式： 表 8 位 8 位 7 位 4 位 5 位 SYNC PID PID ADDR ENDP CRC5 數(shù)據(jù)包 主機總是通過配置事件初始化總線傳送的第一個數(shù)據(jù)包為 DATA0 PID，第二個數(shù)據(jù)包為 DATA1 PID，并且以后的數(shù)據(jù)傳送輪流切換。格式如下 ： 表 8 位 8 位 0～ 1023 字節(jié) 16 位 SYNC PID PID DATA CRC16 握手包 握手信息包是最簡單的信息包類型。在這個握手信息包中，僅含有一個 PID數(shù)據(jù)域。格式如下： 表 8 位 8 位 SYNC PID PID 事務處理基本類型及 USB 傳輸類型 在 USB 上的數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過程為事務處理（ Transaction）。事務處理的類型包括輸入（ IN）事務處理、輸出（ OUT）事務處理、設置（ SETUP）事務處和幀開始、幀結(jié)尾等類型。 USB 傳輸類型有 4 種： 批量 控制傳輸、實時傳輸、批量傳輸和中斷傳輸。 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 14 USB 設備列舉 USB 設備列舉： HUB 通知主機設備連接到 USB 總線上，此時 USB 設備處于供電狀態(tài) ； 主機查詢 HUB 來獲得設備信息，并且等待 100ms，讓設備總線處于供電穩(wěn)定， 此時 USB 主機向設備發(fā)送復位請求 ； USB 設備復位后，通過默認地址響應總線標準請求 ； USB 主機為 USB 設 備分配一個設備地址，并通過讀設備描述符來獲得設備端口的最大載荷 ； USB 主機獲得設備配置信息，并根據(jù)信息向設備發(fā)送設備配置請求， USB 設備響應該請求后列舉完成。 的 模塊的設計 模塊依靠片上 USB 設備控制器 (UDC20)和 USB 物理層接口 (UPHY)，支持 USB 全速和高速協(xié)議。 UDC20 模塊 有 6 個獨立的端點，它們可以配置為控制 、中斷 、 批量或者同步傳輸?shù)?IN/OUT 端點。兩個 64 字 節(jié) 緩沖區(qū)分配給了物理端點1，該端點默認為控制端點。另外三個 64 字節(jié)緩沖區(qū)分配給了物理端點 2， 3 和 6。端點數(shù)據(jù)通過 IP FIFO 總線保存在 IQUE 模塊中 。 使用 5 端點作為 USB 的批量傳輸輸入輸出端口， 在高速模式情況下，端點一 次最多 發(fā)送 512 個字節(jié)，且 5的端點緩沖區(qū)不在 模塊內(nèi)部，而是在 IQUE 的寄存器設置，來確定最終將數(shù)據(jù)存到所映射的 QRAM的某個位置。這樣 PC上傳下來的數(shù)據(jù)將保存到該 QRAM中， CPU 要讀取數(shù)據(jù)，可以直接通過對 QRAM 相應地址讀數(shù)據(jù)即可。 UF32內(nèi)部 圖如下： 圖 模塊方框圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 15 第四章 系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 引言 由于硬件模塊核心處理器選擇 Freescale UF32 單片機，因此，硬件電路參考飛思卡爾官方網(wǎng)站推薦電路和部分電路設計，最終完成整個系統(tǒng)的硬件設計。 具體硬件部分主要由核心處理單元 UF3 UF32 最小系統(tǒng)要求外圍時鐘、電源、復位、及調(diào)試接口，并且也引出了豐富的接口資源，可以供多個外圍器件或設備與本系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。 原理圖設計及各模塊要說明 電源模塊設計 UF32需要 +5V和 +，其中 UF32 的 10腳 (VSSR、 VDDR)之間為+5V，為系統(tǒng) 提供電源和地； 2 30腳 (VDD3X、 V