【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 7 第 3 章 系統(tǒng)的 程序 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 基于 USB的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)主要利用了 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)和 USB技術(shù)，是伴隨著 USB 技術(shù)的迅速發(fā)展與新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。采集到的數(shù)據(jù)通過主機(jī)接口 (USB 口 )發(fā)送到上位機(jī)并實(shí)時(shí)顯示出來，其波形保真性能與A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率、分辨率與精度密切相關(guān)。 A/D 轉(zhuǎn)換速率越高，復(fù)現(xiàn)的波形的分辨率也就越高 。A/D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)越 多，精度越高，波形保真性越高 。 PDIUSBD12 的性能特點(diǎn)和 內(nèi)部結(jié)構(gòu) PDIUSBD12 集成了許多新的特性，包括可編程時(shí)鐘輸出、 SoftCon, GoodLink、低頻晶振。 (1)可編程時(shí)鐘輸出 :不必考慮電路設(shè)計(jì)時(shí)使用高頻晶振產(chǎn)生的 EMI 問題 D12 的CLKOUT 引腳輸出時(shí)鐘信號(hào)，可用作 MCU 時(shí)鐘，最低 4MHZ，最高達(dá) 48MHZ. D12內(nèi)部有倍頻電路，外部只需 6M 晶振即可提供 D12 自身工作時(shí)鐘 (48MHZ)及輸出時(shí)鐘。 (2)軟連接 (SoftCon)技術(shù) :芯片內(nèi)集成有 KΩ 的 USB 上拉電阻，連接此電阻將 D+置為高設(shè)置為高速 USB 設(shè)備。連接的建立通過外部 MCU 發(fā)送命令來實(shí)現(xiàn)，這就允許設(shè)備在決定與 USB 總線建立連接之前完成初始化時(shí)序。 USB 總線連接的連接可以重新初始化而不需要拔插 USB 電纜。 (3)GoodLink 技術(shù) :可提供良好的 USB 連接指示。在枚舉中， LED 指示根據(jù)通信情況間歇閃爍。當(dāng)成功枚舉和配置后 ， LED 指示將一直點(diǎn)亮。 USB 支持兩種信號(hào)速率。 USB 的最高速率是 12Mb/s，但它可以工作在 1. 5Mb/s 的較低速率，同一個(gè)USB 系統(tǒng)可同時(shí)支持這兩種模式，但 1. 15Mb/s 低速率方式主要為了降低對(duì)速度要求不高的設(shè)備的成本，只支持少數(shù)像鼠標(biāo)這樣的低帶寬要求的設(shè)備。 (4)可編程的時(shí)鐘頻率輸出：集成 320 字節(jié)多結(jié)構(gòu) FIFO 存儲(chǔ)器，具體組成如字節(jié)數(shù)端點(diǎn) 0 端點(diǎn) 1 端點(diǎn) 320=16(IN)+16(OUT)+16(IN)+16(OUT)+[64(IN)+64(OUT)] * 2(雙緩沖 )主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加 了數(shù)據(jù)吞吐量，并輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸 。 遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 8 (5)多中斷模式實(shí)現(xiàn)批量和同步傳輸。端點(diǎn)可通過 Set Mode 命令配置為 4 種不同的模式，分別為 : 模式 0 NonISO 模 式 (非同步傳輸 ) 模式 1 ISOOUT 模式 (同步輸出傳輸 ) 模式 2 ISOIN 模式 (同步輸入傳輸 ) 模式 3 ISOIO 模式 (同步輸入輸出傳輸 ) USB 電纜可以允許使用不同長(zhǎng)度的電纜，最長(zhǎng)可達(dá)幾米。為了提供可靠的輸入電壓和適當(dāng)?shù)慕K端阻抗，在電纜的每一端帶偏壓的終端。該終端可以發(fā)現(xiàn)任一端口上USB 設(shè)備的 “ 插入 ” 和 “ 拔除 ” 操作，并能區(qū)分全速和低速設(shè)備。圖 2 指示了高速USB 設(shè)備在集線器的終端位置及其所連的功能設(shè)備，從中可以看出在電纜的下行端的電阻 Rpu 是接在 D+線上的，在低速 設(shè)備中， Rpu 電阻是接在 D線上的。 PD 工USBD12 的軟連接 (SoftCon)技術(shù)使得在電路設(shè)計(jì)中可以省去此電阻，并可以通過軟件設(shè)置。 圖 PDIUSBD12 的原理圖 (1)模擬收發(fā)器 :集成的收發(fā)器接口可通過終端電阻直接與 USB 電纜相連。 (2)電壓調(diào)整器 :片內(nèi)集成了一個(gè) 3. 3V 的調(diào)整器用于模擬收發(fā)器的供電，該電壓還作為輸出連接到外部上拉電阻?？蛇x擇 D12 提供的帶有上拉電阻的軟件連接技術(shù)。 (3)倍頻電路 (PLL)片內(nèi)集成了 6M到 48M 時(shí)鐘乘法 PLL，就可使用低成本的 6M晶振。 (4) 位時(shí)鐘恢復(fù) :位時(shí)鐘恢復(fù)電路使用 4X 過采樣規(guī)則，從進(jìn)入的 USB 數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘。它能跟蹤 USB 規(guī)定范圍內(nèi)的抖動(dòng)和頻漂。 (5)串行接口引擎 (SIE):串行接口引擎實(shí)現(xiàn)了全部的 USB 協(xié)議層，完全由硬件實(shí)現(xiàn)而不需要固件的參與。該模塊的功能包括同步模式的識(shí)別、并行 /串行轉(zhuǎn)換、位填充 /遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 9 解除填充、 CRC 校驗(yàn) /產(chǎn)生、 PID 校驗(yàn) /產(chǎn)生、地址識(shí)別和握手評(píng)估等。 (6)存儲(chǔ)器管理單元 (ME)和集成 RAM:在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并與微處理器的并口相連時(shí)， MMU 和集成 RAM 作為 USB 間傳輸?shù)木彌_區(qū)，允許 MCU 以它自己速率對(duì) USB信息包讀 寫。 PDIUSBD12 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： 圖 PDIUSBD12 的內(nèi)部框圖 PDIUSBD12 的端點(diǎn)描述 端點(diǎn) (Endpoint)是一個(gè) USB 設(shè)備唯一可以確認(rèn)的部分，它是主機(jī)與設(shè)備之間的通信流終點(diǎn)。一系列相互獨(dú)立的端點(diǎn)在一起構(gòu)成了 USB 邏輯設(shè)備。 (1)端點(diǎn) 0 要求 :所有 USB 設(shè)備都需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)缺省的控制方法。這種方法將端 點(diǎn) 0 作為輸入端點(diǎn)，同時(shí)也將端點(diǎn) 0 作為輸出端點(diǎn)。 USB 系統(tǒng)用這個(gè)缺省方法初始化及一般地使用邏輯 設(shè)備 (即設(shè)置此設(shè)備 )。缺省控制通道支持了對(duì)控制的傳送，一旦設(shè)備接上，并加電，且又收到一個(gè)總線復(fù)位命令，端點(diǎn) 0 就是可訪問的了。 (2)非 0 端點(diǎn)要求 :設(shè)備可以有除 0 以外的其它端點(diǎn)，這取決于這些設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。 低速設(shè)備在 0 號(hào)輸入及輸出端點(diǎn)外，只能有 2 個(gè)額外的可選端點(diǎn)。而高速設(shè)備可具有的額外端點(diǎn)數(shù)僅受限于協(xié)議的定義，協(xié)議中規(guī)定，最多 15 個(gè)額外的輸入端點(diǎn)和最多15 個(gè)額外的輸出端點(diǎn)。非 0 端點(diǎn)在被配置前處于未知狀態(tài)，在設(shè)備配置以后才能使用。 6MHZ D+ 電壓調(diào)整器 ANALOG TX/AX softconnect D 上行端口 PLL 位時(shí)鐘恢復(fù) PHILIPS SIE 內(nèi)存管理單元 集成RAM 并行和DAM接口 D+ 遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 10 D12 的端點(diǎn)適用于不同類型的設(shè)備，并可通過 “ Set Mode” 命令配置為 4 種不同的模式 :模式 0(非同步模式 )，模式 1(同步輸出模式 )，模式 2(同步輸入模式 )，模式 3(同步輸入輸出模式 )。本設(shè)計(jì)中只用到了模 式 0 配置，同步模式配置未使用。端點(diǎn)可用來存放從主機(jī)接受到或者設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)，每個(gè)端點(diǎn)都有屬于自己的緩沖區(qū)。模式0 配置下的端點(diǎn)緩沖區(qū)如表 所示。 端點(diǎn) 2(主端點(diǎn) )是進(jìn)行吞吐大數(shù)據(jù)量的主要端點(diǎn)，具有 64 字節(jié)雙緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，可以減輕傳輸大量數(shù)據(jù)的任務(wù) : (1)雙緩沖。允許 USB 與本地 CPU 之間的并行讀寫操作這樣就增加了數(shù)據(jù)的吞吐量緩沖區(qū)切換是自動(dòng)處理的這導(dǎo)致了透明的緩沖區(qū)操 作。 (2)支持 DMA 直接存儲(chǔ)器訪問操作。可以和對(duì)其它端點(diǎn)的正常 I/0 操作交叉進(jìn)行。 (3) DMA 操作中的自動(dòng)指針處理。在跨過緩沖區(qū)邊界時(shí)不需要本地 CPU 的干預(yù)。 (4)可配置為同步傳輸或非同步批量和中斷傳輸。 表 端點(diǎn)緩沖區(qū)配置 (模式 0) 端點(diǎn)號(hào) 端點(diǎn)索 引傳輸類型 端點(diǎn)類型 方向 緩沖區(qū)長(zhǎng)度（字節(jié)） 0 0 控制輸出 默認(rèn) 輸出 16 0 1 控制輸出 默認(rèn) 輸入 16 1 2 普通輸出 普通 輸出 16 1 3 普通輸出 普通 輸入 16 2 4 普通輸出 普通 輸出 64 2 5 普通輸出 普通 輸入 64 PDIUSBD12 的指令集 PDIUSBD12 有自己的專用指令集，用于設(shè)置 USB 芯片、讀取 USB 芯片的狀態(tài)和控制 USB 總線傳輸。 D12 芯片內(nèi)有一系列的寄存器對(duì)應(yīng)著這些指令，微處理器把要設(shè)置的值按字節(jié)寫入 D12 的這些寄存器，或者從 D12 的這些寄存器中讀出 USB 總線的狀態(tài)。 D12 有三種基本的類型的命令 :初始化、數(shù)據(jù)流和通用命令。 (1)初始化命令 初始化命令在 USB 總線進(jìn)行枚舉處理時(shí)使用，這些命令用于使能端點(diǎn)的功能，還可用來設(shè)置 USB 分配的地址，包括 :設(shè)置地址 /使能、設(shè)置端點(diǎn)使能、設(shè)置模式 (設(shè)置分頻系數(shù)、軟連接、端點(diǎn)模式以及中斷 模式等 )、 DMA 設(shè)置等命令。 遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 11 表 初始化命令指令集 命令名 接收者 編碼 數(shù)據(jù) 設(shè)置地址使能 器件 D0h 寫 1字節(jié) 設(shè)置端點(diǎn)使能 器件 D8h 寫 1字節(jié) 設(shè)置模式 器件 F3h 寫 2字節(jié) 設(shè)置 DMA 器件 FBh 寫 /讀 1字節(jié) (2)數(shù)據(jù)流命令 數(shù)據(jù)流命令用于管理 USB 端點(diǎn)和外部微控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸， D12 通過微控制器中斷初始化大量的數(shù)據(jù)流。微控制器利用這些命令訪問和決定端點(diǎn)的 FIFO 是否含有有效的數(shù)據(jù)。包括 :讀中斷寄存器、選擇端點(diǎn)、讀最后處理狀態(tài)寄存器、讀緩沖區(qū) 、寫緩沖區(qū)、使緩沖區(qū)有效、清除緩沖區(qū)、設(shè)置端點(diǎn)狀態(tài)、應(yīng)答建立等命令。 如表。 (3)普通命令 :包括發(fā)送恢復(fù)、讀當(dāng)前幀數(shù)目?jī)蓚€(gè)命令。 表 普通命令指令集 命令指令集 發(fā)送恢復(fù) F6h 無 讀當(dāng)前楨 數(shù) F5h 讀 1或 2字節(jié) PDIUSBD12 的管腳配置 PD12 共有 28 個(gè)管腳，具有 S028 和 TSSOP28 兩種封裝形式，管腳圖如 下 圖 所示 ： 圖 PBIUSBBI2 的管腳配置 遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 12 表 數(shù)據(jù)流命令指令集 數(shù)據(jù)流命令 讀中斷寄存器 器件 F4h 讀 2字節(jié) 選擇端點(diǎn) 控制輸出 00h 讀 1字節(jié)（可選） 控制輸入 01h 讀 1 字節(jié)（可選） 端點(diǎn) 1 輸出 02h 讀 1 字節(jié)（可選） 端點(diǎn) 1 輸入 03H 讀 1 字節(jié)（可選） 端點(diǎn) 2 輸出 04h 讀 1 字節(jié)（可選） 端點(diǎn) 2 輸入 05h 讀 1 字節(jié)（可選） 讀最后處理狀態(tài) 控制輸出 40h 讀 1 字節(jié) 控制輸入 41h 讀 1 字節(jié) 端點(diǎn) 1 輸出 42h 讀 1 字節(jié) 端點(diǎn) 1 輸入 43h 讀 1 字節(jié) 端點(diǎn) 2 輸出 44h 讀 1 字節(jié) 端點(diǎn) 2 輸入 45h 讀 1 字節(jié) 讀緩沖區(qū) 選擇的端點(diǎn) F0h 寫 n 字節(jié) 寫緩沖區(qū) 選擇的端點(diǎn) F0h 寫 n 字節(jié) 設(shè)置端點(diǎn)狀態(tài) 控制輸出 40h 寫 1 字節(jié) 控制 輸入 41h 寫 1 字節(jié) 端點(diǎn) 1 輸出 42h 寫 1 字節(jié) 端點(diǎn) 1 輸入 43h 寫 1 字節(jié) 端點(diǎn) 2 輸出 44h 寫 1 字節(jié) 端點(diǎn) 2 輸入 45h 寫 1 字節(jié) 應(yīng)答設(shè)置 選擇的端點(diǎn) F1h 無 緩沖區(qū)清零 選擇的端點(diǎn) F2h 無 使緩沖區(qū)有效 選擇的端點(diǎn) FAh 無 遼寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 13 A/D 與單片機(jī)接口電路 ADC0809 允許的最大時(shí)鐘頻率為 1280kHz，主要管腳功能如下 : INOIN7: 8 路模擬量輸入端，可從這 8 個(gè)腳輸入 0V5V 待轉(zhuǎn)換的模擬電壓ADDA,ADDB,ADDC:管道地址輸入端。通過編碼的方式來實(shí)現(xiàn)