【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。本次 PC 端主要模塊即為 VC++圖形界面的設(shè)計(jì)，要求界面包括如下指標(biāo)及參數(shù)的設(shè)定： 設(shè)備打開(kāi)成功與否，狀態(tài)顯示。 向設(shè)備輸入數(shù)據(jù)顯示和設(shè)備相關(guān)信息顯示。 頻率設(shè)置、占空比設(shè)置、脈沖個(gè)數(shù)設(shè)置、脈沖輸出使能設(shè)置窗口。 發(fā)送按鈕、清除按鈕。 PC 客戶(hù)軟件 USB 接收模塊 IQUE模塊 電源模塊 時(shí)鐘與復(fù)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(dòng)程序 主機(jī) USB其他程序與接口 UF32 核心處理模塊 圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 重慶工商職業(yè)學(xué)院 基于單片機(jī) PC 程控脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 退出按鈕。 MCU 端 USB 和 PULSE 模塊設(shè) 計(jì) 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(shè)置相應(yīng) USB 相關(guān)寄存器和初始化該模塊，設(shè)定 USB 接收發(fā)送的相關(guān)中斷完成對(duì)USB 工作的基本環(huán)境。 UF32的 USB 6個(gè)端點(diǎn)，其中 1端點(diǎn)作為默認(rèn)的零號(hào)控制端點(diǎn)使用， 3 端點(diǎn)可以各自使用內(nèi)部 64 字節(jié)的寄存器緩沖區(qū)， 5 端點(diǎn)可以使用 UF32 的集成隊(duì)列模塊 (IQUE)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，這個(gè)模塊是一個(gè)類(lèi)似于 DMA方式的模塊，用于外設(shè)和內(nèi)存之間傳送數(shù)據(jù)，而不需要 CPU 的干預(yù)。 使用 5端點(diǎn)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(diǎn)一次最多可以發(fā)送 512 個(gè)字節(jié)，且端點(diǎn) 5的端點(diǎn)緩沖區(qū)不在 ，而是在 IQUE的寄存器設(shè)置，來(lái)確定最終將數(shù)據(jù)存到所映射的 QRAM的某個(gè)位置。這樣 PC上傳下來(lái)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(guò)對(duì) QRAM相應(yīng)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(qiáng)定時(shí)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(shè)置相關(guān)寄存器設(shè)置比較成功中斷并輸出翻轉(zhuǎn)。利用分別不同時(shí)刻交替的向 TCx 賦值為HighTime 和 LowTime 來(lái)完成占空比和頻率可調(diào)。每次進(jìn)入中斷后檢測(cè) Mun 是否超出預(yù)先設(shè)置值，再在最后判斷是否輸出使能，并再次允許中斷，啟動(dòng)定時(shí)器。重慶工商職業(yè)學(xué)院 基于單片機(jī) PC 程控脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 第三章 通信接口設(shè)計(jì) 引言 計(jì)算機(jī)總線是計(jì)算機(jī)各部件之間進(jìn)行信息傳輸?shù)墓餐ǖ溃鶕?jù)信號(hào)類(lèi)型的不同，微型計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)。 USB 不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)用在 PC 領(lǐng)域的接口技術(shù)。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(gè) 4 針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來(lái)，最多可以連接 127 個(gè)外部設(shè)備，并且不會(huì)損失帶寬。 USB需要主機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)三個(gè)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(yù)留有 USB 插針，可以通過(guò)連 線接到機(jī)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(guò)專(zhuān)門(mén)的 USB 連機(jī)線實(shí)現(xiàn)雙機(jī)互連，并可以通過(guò) Hub 擴(kuò)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(dú)立 供電等優(yōu)點(diǎn)，可以連接鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印機(jī) 等 。USB 的版本： 第一代： 。 第二代： 的最大傳輸速率高達(dá) 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(shè)計(jì)必須具備的基礎(chǔ)知識(shí) USB 基本結(jié)構(gòu) 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(hào)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，重慶工商職業(yè)學(xué)院 基于單片機(jī) PC 程控脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 最高速度可達(dá) 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(shè)備最多可以獲得 500mA 的電流。 被設(shè)計(jì)成為向下兼容的模式，當(dāng)有全速（ USB ）或者低速（ USB ）設(shè)備連接到高速（ USB ）主機(jī)時(shí)，主機(jī)可以通過(guò)分離傳輸 來(lái)支持它們。一條 USB 總線上，可達(dá)到的最高傳輸速度等級(jí)由該總線上最慢的 “設(shè)備 ”決定，該設(shè)備包括主機(jī)、 HUB 以及 USB 功能設(shè)備。 USB 體系包括 “主機(jī) ”、 “設(shè)備 ”以及 “物理連接 ”三個(gè)部分。其中主機(jī)是一個(gè)提供 USB接口及接口管理能力的硬件、軟件及固件的復(fù)合體，可以是 PC，也可以是 OTG 設(shè)備。一個(gè) USB 系統(tǒng)中僅有一個(gè) USB 主機(jī)；設(shè)備包括 USB 功能設(shè)備和USB HUB，最多支持 127 個(gè)設(shè)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(gòu)圖，下面將對(duì)其進(jìn)行一一說(shuō)明。 USB 主機(jī) 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(jī)啟動(dòng)，USB 主機(jī)在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中占 主導(dǎo)地位。在 USB 系統(tǒng)中，只允許一個(gè)主機(jī)。USB 主機(jī) 分為 3 個(gè)不同的功能模塊：客戶(hù)軟件、 USB 系統(tǒng)軟件和 USB 總線接口。 USB 設(shè)備 一個(gè) USB 設(shè)備由 3 個(gè)功能模塊組成： USB 總線接口、 USB 邏輯設(shè)備和功能單圖 USB 通信架構(gòu)圖 重慶工商職業(yè)學(xué)院 基于單片機(jī) PC 程控脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 元。這里的 USB 總線接口指的是 USB 設(shè)備中的串行接口引擎（ SIE）； USB 邏輯設(shè)備被 USB 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。 SIE、端點(diǎn)和接口都是 USB 設(shè)備的組成單元。 USB 設(shè)備使用各種描述符來(lái)說(shuō)明 其設(shè)備構(gòu)架，包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符 、 字符串描述符 和管道 ，它們通常被保存在 USB 設(shè)備的固件程序中。 USB 物理特性與接口設(shè)計(jì)方法 USB 接口 USB 使用一 根屏蔽的 4 線電纜與網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)一個(gè)差分雙絞線進(jìn)行，這兩根線分別標(biāo)為 D+和 D；另外兩根線 Vcc 和 GND，其中 Vcc向 USB 設(shè)備供電 。 其引線定義： 表 引腳編號(hào) 信號(hào)名稱(chēng) 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(jī)或集線器， B 型連接頭用于下行連接，USB 設(shè)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(xué)院 基于單片機(jī) PC 程控脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 USB 信號(hào) 數(shù)據(jù)在 USB 總線上實(shí)際傳輸時(shí)，使用的是 NRZI（反向不歸零）編碼的差分信號(hào)，這種信號(hào)有利于保證數(shù)據(jù)的完整性和消除噪聲干擾。 差分信號(hào)技術(shù) 傳統(tǒng)的傳輸方式大多使用一個(gè)臨界值來(lái)分別來(lái)區(qū)分 1 和 0。差分信號(hào)技術(shù)最大的特點(diǎn)是：必須使用兩條線路才能表達(dá)一個(gè)比特位，用兩條線路傳輸信號(hào)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(guò)差分驅(qū)動(dòng)器送到 USB 電纜上； （ 3）接收器將輸入的差分信號(hào)放大，將其送給解碼器。 傳輸結(jié)構(gòu) 圖： 通信協(xié)議 USB 事務(wù)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(jī)每間隔 1ms(這個(gè) 1ms稱(chēng)為一幀 )發(fā)送一個(gè)幀開(kāi)始令牌包 SOF(Start of Frame)。包含 SOF 標(biāo)記、幀序列號(hào)及 CRC5 校驗(yàn)碼 ； 在高速模式下，主機(jī)每間隔 1/8ms（即為一微幀 ）發(fā)送一個(gè)幀開(kāi)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(guò)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(biāo)識(shí)符（ PID）、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗(yàn)（ 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(dòng) 器 NRZI解碼器 差分驅(qū)動(dòng)器 D+ D 電纜段 圖 USB 通信線路示意圖 重慶工商職業(yè)學(xué)院 基于單片機(jī) PC 程控脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 信息包格式 根據(jù)信息包所實(shí)現(xiàn)的功能，其可以分為 3 種類(lèi)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?lèi)型，數(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(jī)才發(fā)出令牌包 ，它是事務(wù)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(jī)總是通過(guò)配置事件初始化總線傳送的第一個(gè)數(shù)據(jù)包為 DATA0 PID，第二個(gè)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(jiǎn)單的信息包類(lèi)型。在這個(gè)握手信息包中，僅含有一個(gè) PID數(shù)據(jù)域。格式如下： 表 8 位 8 位 SYNC PID PID 事務(wù)處理基本類(lèi)型及 USB 傳輸類(lèi)型 在 USB 上的數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過(guò)程為事務(wù)處理（ Transaction）。事務(wù)處理的類(lèi)型包括輸入（ IN）事務(wù)處理、輸出（ OUT）事務(wù)處理、設(shè)置（ SETUP）事務(wù)處和幀開(kāi)始、幀結(jié)尾等類(lèi)型。 USB 傳輸類(lèi)型有 4 種： 批量 控制傳輸、實(shí)時(shí)傳輸、批量傳輸和中斷傳輸。 重慶工商職業(yè)學(xué)院 基于單片機(jī) PC 程控脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 USB 設(shè)備列舉 USB 設(shè)備列舉： HUB 通知主機(jī)設(shè)備連接到 USB 總線上，此時(shí) USB 設(shè)備處于供電狀態(tài) ； 主機(jī)查詢(xún) HUB 來(lái)獲得設(shè)備信息，并且等待 100ms，讓設(shè)備總線處于供電穩(wěn)定， 此時(shí) USB 主機(jī)向設(shè)備發(fā)送復(fù)位請(qǐng)求 ； USB 設(shè)備復(fù)位后，通過(guò)默認(rèn)地址響應(yīng)總線標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求 ； USB 主機(jī)為 USB 設(shè) 備分配一個(gè)設(shè)備地址，并通過(guò)讀設(shè)備描述符來(lái)獲得設(shè)備端口的最大載荷 ； USB 主機(jī)獲得設(shè)備配置信息，并根據(jù)信息向設(shè)備發(fā)送設(shè)備配置請(qǐng)求， USB 設(shè)備響應(yīng)該請(qǐng)求后列舉完成。 的 模塊的設(shè)計(jì) 模塊依靠片上 USB 設(shè)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(gè)獨(dú)立的端點(diǎn)，它們可以配置為控制 、中斷 、 批量或者同步傳輸?shù)?IN/OUT 端點(diǎn)。兩個(gè) 64 字 節(jié) 緩沖區(qū)分配給了物理端點(diǎn)1，該端點(diǎn)默認(rèn)為控制端點(diǎn)。另外三個(gè) 64 字節(jié)緩沖區(qū)分配給了物理端點(diǎn) 2， 3 和 6。端點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò) IP FIFO 總線保存在 IQUE 模塊中 。 使用 5 端點(diǎn)作為 USB 的批量傳輸輸入輸出端口， 在高速模式情況下，端點(diǎn)一 次最多 發(fā)送 512 個(gè)字節(jié)，且 5的端點(diǎn)緩沖區(qū)不在 模塊內(nèi)部，而是在 IQUE 的寄存器設(shè)置，來(lái)確定最終將數(shù)據(jù)存到所映射的 QRAM的某個(gè)位置。這樣 PC上傳下來(lái)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(guò)對(duì) QRAM 相應(yīng)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(xué)院 基于單片機(jī) PC 程控脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 15 第四章 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 引言 由于硬件模塊核心處理器選擇 Freescale UF32 單片機(jī)，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(shè)計(jì)，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 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(shí)鐘、電源、復(fù)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(gè)外圍器件或設(shè)備與本系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 原理圖設(shè)計(jì)及各模塊要說(shuō)明 電源模塊設(shè)計(jì) 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