【導(dǎo)讀】導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致。含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。明并表示了謝意。以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。式是數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有422、485等總線板卡。已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)，軟件開發(fā)者要根據(jù)指定的設(shè)備進(jìn)行訪問。根據(jù)調(diào)查顯示，70%的嚴(yán)重系統(tǒng)錯誤和系統(tǒng)崩潰是由硬件沖突引起。通用串行總線的出現(xiàn)，很好的解決了以上這些問題。易的實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所有USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進(jìn)行。4)有總線電源保護(hù)，系統(tǒng)連續(xù)3ms沒有總線活動，USB自動進(jìn)入刮起狀態(tài)。這是第一個為所有的USB產(chǎn)品提出設(shè)計請求的標(biāo)淮。標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行闡述和擴(kuò)充的基礎(chǔ)上，發(fā)布了USB標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。目前，USB總線的協(xié)議版本已經(jīng)達(dá)到了，支持的最高。出了USB接口和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。等方面討論了、、USBOTG協(xié)議。對PC機(jī)與數(shù)據(jù)采集器的接口方式和USB控制芯片

　　

【正文】 與D12 集成電路相互連接的簡圖： 圖 AT89C51 與 PDIUSBD12 連接電路 89C51 可以用地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用 /非復(fù)用兩種連接方式，設(shè)計中采用了非復(fù)用方式。因為只需一位地址，所以 D12 的 ALE 直接接為低電平，用 PDIUSBD12 的 A0 腳作為地址位。 A0 可與 89C51 的任意一個 I/O 口相連。 89C51 的 P1 口 (P10 一 P17)，是內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口，向 P1 口寫 1 時， 1 口被內(nèi)部上拉為高電平，并且可以用作輸入口；當(dāng)作 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 27 頁 共 35 頁 為輸入腳時， P1 口管腳被外部拉低，因為外部上拉而產(chǎn)生電流。在這里， A0 是與 P17相連， A0 為高時，表示 DATA0DATA7 上收到的是命令字； A0 為低時，表明接收到的是數(shù)據(jù)。 D12 的 Vdd 工作在 5V，此時 會輸出 的電壓，用于提供給 D+作參考電壓。 DMACK_N 接高電平， CS_N 接低電平作為片選。 GL_N 接發(fā)光二極管后加電阻接高電平，它的亮暗將反映 USB 芯片的工作狀態(tài)。雖然 D12 可以編程輸出時鐘，但由于 D12 上電復(fù) 位時默認(rèn)時鐘頻率為 4MHZ，欲讓 MCU 工作在 12MHZ/24MHZ，必須通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，而單片機(jī)在程序執(zhí)行過程中無法改變時鐘頻率。為解決這一問題，需在設(shè)計中加入選頻電路，當(dāng) CLKOUT 輸出在軟件編程下改為 12MHz/24MHz 時，選頻電路脈沖觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生單片機(jī)復(fù)位脈沖，此脈沖持續(xù)時間應(yīng)大于 CLKOUT 腳輸出信號不穩(wěn)定期 (通過調(diào)整單穩(wěn)電路中的電容電阻值來實(shí)現(xiàn) )， 51 復(fù)位后可運(yùn)行在新時鐘下。但這增加了電路的復(fù)雜性。而且，這種方式也增加了電路的不穩(wěn)定性。尤其是對于 MCU 的外圍設(shè)備很多時，更不宜用單一時鐘 方式。設(shè)計中采用了獨(dú)立時鐘方式，即D12 與 MCU 各用一個時鐘。 USB 協(xié)議規(guī)定，當(dāng)總線上 3us 沒有活動時，外設(shè)將進(jìn)入掛起狀態(tài)。此時， D12 的SUSPEND 引腳輸出高電平。將此引腳與 MCU 的某個 I/O 腳相連，當(dāng) MCU 檢測到 D12進(jìn)入掛起狀態(tài)，且它也沒有其它待處理事物時，也進(jìn)入休眠狀態(tài)。另外， D+與主機(jī)端口的連接也需注意。 D12 提供了兩種連接方式 :(一 )用內(nèi)部上拉電阻與軟件編程。此方式下通過向某一特定寄存器位寫 1 來實(shí)現(xiàn)與主機(jī)連接，斷開連接只需向相應(yīng)位寫 0。 (二 )直接在 D+線外接上拉電阻，用插拔電纜實(shí)現(xiàn)連接與斷開 。對于總線供電設(shè)備，兩種方式都可用 。對于自供電設(shè)備，建議用前者，因為對于自供電設(shè)備，若用方式二，插上電纜后，經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)檢測不到設(shè)備或主機(jī)讀取描述符不成功的情況，這與 D+的上拉電阻有關(guān)。D+上的外接上拉電阻若由 HUB 的本地電源供電，則可能沒有 VCC，此時檢測不到設(shè)備 。若上拉電阻采用總線供電，而 HUB 的主控制器用本地電源供電，則可檢測到設(shè)備連接，但讀取描述符出錯。若不加相應(yīng)電路或軟件修改，在操作中必須先拔電纜，再斷 /接外設(shè)電源，操作較麻煩。 USB 接口硬件設(shè)計 USB 接口部分的硬件電路設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)與 USB 總線的連接， USB 總線的數(shù)據(jù)傳輸，檢測總線的掛起于復(fù)位， USB 通訊的狀態(tài)指示，抗干擾等功能。這些功能由微控制器和 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 28 頁 共 35 頁 PDIUSBD12 及相應(yīng)的外圍電路共同實(shí)現(xiàn)。另外，為了方便 USB 接口的硬件調(diào)試，系統(tǒng)增加了一個 RS232 接口。在程序運(yùn)行過程中，可以把 USB 接口的配置和狀態(tài)通過 RS232接口發(fā)送出來。 USB 接口部分硬件框圖如圖 所示。 圖 USB 接口硬件框圖 整個硬件系統(tǒng)主要分為下述幾個模塊： 單片機(jī)模塊：它是控制的核心，根據(jù)設(shè)計的要求，寫在其內(nèi)部 EPROM 中的單片機(jī)序需要完成初始化、數(shù)據(jù) 采集、傳輸數(shù)據(jù)給 PDIUSBD12 等功能。 USB 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊：這個模塊以 PDIUSBD12 為核心，將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換發(fā)送到 USB 口。 USB 接口電路部分：主要是設(shè)備檢測和抗干擾電路。 復(fù)位與掛起恢復(fù)電路：處理系統(tǒng)的上電和手動復(fù)位，檢測 PDIUSBD12 的掛起狀態(tài)在其從掛起狀態(tài)恢復(fù)時喚醒 (復(fù)位 )單片機(jī)。 擴(kuò)展端口：用于與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接和系統(tǒng)調(diào)試。 下面，對主要的硬件設(shè)計和應(yīng)該注意的問題加以說明。 USB 接口電路 USB 接口電路如圖 所示。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 29 頁 共 35 頁 圖 USB 接口電路 圖中 D12DP 和 D12DM 分別接 PDIUSBD12 的 D+和 D。它們是 USB 的數(shù)據(jù)線，外接匹配電阻是 18 歐姆。當(dāng) USB 電纜斷開與主機(jī)的連接時， D+和 D處于懸浮狀態(tài)，在噪聲環(huán)境下， D+和 D的狀態(tài)可能由于感應(yīng)噪聲而發(fā)生變化， SIE 有時會誤以為是主機(jī)產(chǎn)生的恢復(fù)信號從而使 PDIUSBD12 錯誤的退出掛起狀態(tài)。因此需要將 D+接一個 1M的下拉電阻，而 D接一個 1M 的上拉電阻。 PDIUSBD12 本身的 ESD(Electro Static Discharge)保護(hù)能力是有限的，在嚴(yán)重的情況下，靜電放電甚至可能損害到電子元件，為了有 效的防止這種情況的出現(xiàn)，可以在 D，D+和地線之間并聯(lián)一個瞬變電壓抑制器。本設(shè)計采用的是德州儀器的 SN75240 芯片。當(dāng) AB 或 CD 兩端出現(xiàn)瞬間高能量沖擊時，它能以極高的速度把兩端的阻抗值由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，吸收一個大電流，從而把它兩端間的電壓鉗位在一個較小的數(shù)值上，保護(hù)后面的電路元件不因瞬態(tài)高電壓的沖擊而損壞。 復(fù)位與掛起恢復(fù)電路 系統(tǒng)中單片機(jī)和 USB 控制芯片都需要復(fù)位， PDIUSBD12 具有內(nèi)置的上電復(fù)位電路，所以可以將 RESET_N引腳直接連到 VCC即可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。但是這樣使得 PDIUSBD12在不用的時候也是打開的，在操作或存儲時可能產(chǎn)生的靜電放電 (ESD) ，導(dǎo)致PDIUSBD12 進(jìn)入不確定的狀態(tài)。為了避免這種情況出現(xiàn)，我們通過單片機(jī)的 I/O 端口來給 PDIUSBD12 提供復(fù)位信號。 單片機(jī)的復(fù)位可以有兩種途徑 :一種是上電復(fù)位和手動復(fù)位，另外一種方式是當(dāng)PDIUSBD12 從掛起狀態(tài)回復(fù)的時候，通過圖 的復(fù)位電路產(chǎn)生一個正脈沖來復(fù)位 /喚醒單片機(jī)。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 30 頁 共 35 頁 圖 USB 掛起恢復(fù)喚醒電路 如圖中所示，當(dāng) PDIUSBD12 從掛起狀態(tài)恢復(fù)時， D12SUSPD 端從高電平變成低電平，經(jīng)過兩個單穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器 74HC123， RESUME 端輸出一個正脈沖以復(fù)位 /喚醒 89C52。正脈沖的寬度由 74HC123 外部連接的電容和電阻決定。這里單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74HC123 的作用是能夠防止 D12SUSPD 引腳上的干擾脈沖導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位。當(dāng) D12SUSPD 端出現(xiàn)一個負(fù)脈沖時，第一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的 /Q 端輸出一個負(fù)脈沖，使得第二個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能觸發(fā)。只有 D12SUSPD 引腳上的負(fù)脈沖保持到第一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈沖結(jié)束才能使第二個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)，使單片機(jī)復(fù)位。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)敘述了 基于 USB 接口的高速數(shù)據(jù)采集器 硬件設(shè)計。其中，分別介紹低通濾波器電路、采樣保持電路、 AT89C51 和 PDIUSBD12 連接電路、 USB 接口硬件設(shè)計，并給出了硬件電路原理圖。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 31 頁 共 35 頁 5 結(jié) 論 本 數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 是基于 USB 接口設(shè)計的 ，利用單片機(jī)知識和電子電路知識相聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)。 首先我了解基于 USB 接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究背景，提出課題的研究意義，指出了用 USB 接口相較于其他接口的優(yōu)勢： 易實(shí)現(xiàn)、成本低、快速、兼容性強(qiáng) 。另外還指出了 USB 接口和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。 具體地 從 USB 系統(tǒng)組成、 USB 的傳輸、 USB 的數(shù)據(jù)單元、 USB 的設(shè)備請求等方面討論了 、 、USBOTG 協(xié)議。 提出系統(tǒng)總體設(shè)計方案。對 PC 機(jī)與數(shù)據(jù)采集器的接口方式和 USB 控制芯片的選取進(jìn)行了 分析，并說明了選用 USB 主控芯片 PDIUSBD12 和 USB 接口方式原因及其優(yōu)勢。同時簡單介紹了 PDIUSBD12 和單片機(jī) AT89C51 的特性和功能。最后，闡述了 數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計 實(shí)現(xiàn)。 詳細(xì)敘述別介紹低通濾波器電路、采樣保持電路、AT89C51 和 PDIUSBD12 連接電路、 USB 接口硬件設(shè)計。 由 于設(shè)計是基于 USB 進(jìn)行的，在設(shè)計過程中查閱了大量的有關(guān) USB 和數(shù)據(jù)采集器方面 的知識，因此，通過本設(shè)計使我對 USB 的協(xié)議和它的結(jié)構(gòu)組成有了一定的了解 ，對數(shù)據(jù)器芯片的 功能有了深刻的了解。通過本次設(shè)計 我對數(shù)據(jù)采集器有了一定的了解。在設(shè)計過程中，我們也遇到了很多困難，在硬件方面由于之前沒有接觸 USB 接口控制芯片 ，不知道其工作原理。因而剛開始設(shè)計進(jìn)程很慢，后來通過各種渠道比如到圖書館查閱相關(guān)資料、上網(wǎng)等才把其弄懂。在指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)下，得以把 整體框架清理出來 。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計 第 32 頁 共 35 頁 參考文獻(xiàn) [1] 高翔 . 基于 USB 的實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn) [D]. 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2020. 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