基于usb的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)畢業(yè)論文-文庫吧資料
2025-06-30 04:12本頁面
【正文】 evice I/O ControlIRP_MJ_DEVICE_CONTROL控制設(shè)備具體執(zhí)行流程圖如圖36所示：圖36 執(zhí)行流程圖 設(shè)備讀寫接口程序的實(shí)現(xiàn) 對于我們的硬件板，當(dāng)把前面開發(fā)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序安裝到系統(tǒng)后并以它作為設(shè)備與上層應(yīng)用程序的軟件接口時(shí)，也可以使用這些方式來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與它的通信。采樣設(shè)置模塊，主要用于配置采樣參數(shù)，包括通道、各通道的量程和總的采樣率。根據(jù)功能劃分，應(yīng)用程序可以細(xì)化為以下幾個(gè)模塊：主框架、設(shè)備訪問模塊、采樣設(shè)置模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，模塊之間的關(guān)系如圖35所示：數(shù)據(jù)顯示模塊采集設(shè)置模塊主框架設(shè)備訪問模塊圖35 應(yīng)用程序模塊結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)顯示模塊、設(shè)備訪問模塊和采樣設(shè)置模塊都只與主框架進(jìn)行通信。USB功能驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開發(fā)者編寫，不對硬件進(jìn)行操作，而是通過向USB底層驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含請求塊URB的IRP，以實(shí)現(xiàn)對USB設(shè)備信息的發(fā)送和接收[12]。對于USB設(shè)備，其WDM驅(qū)動(dòng)程序分為USB功能驅(qū)動(dòng)程序和USB底層驅(qū)動(dòng)程序。URB 即USB請求塊。它是驅(qū)動(dòng)程序的核心。WDM模型的為分層體系結(jié)構(gòu)，具體如圖34所示：圖34 WDM結(jié)構(gòu)圖這里首先介紹兩個(gè)概念I(lǐng)RP及URB。 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)Windows環(huán)境下驅(qū)動(dòng)程序有3種模型：KMD模型、VXD模型、WDM模型。數(shù)據(jù)接收/發(fā)送程序：當(dāng)用戶通過主機(jī)端應(yīng)用程序向設(shè)備發(fā)送或索要數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器調(diào)用數(shù)據(jù)接受/發(fā)送的子程序完成數(shù)據(jù)的接受/發(fā)送。請求處理程序：USB標(biāo)準(zhǔn)請求處理程序來負(fù)責(zé)處理枚舉階段主機(jī)發(fā)給設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)請求，以及正常工作時(shí)主機(jī)發(fā)送的廠商的請求。中斷服務(wù)程序：固件程序設(shè)計(jì)的重中之重就是中斷服務(wù)程序。固件程序采用模塊化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)成中斷驅(qū)動(dòng)模式，其總體結(jié)構(gòu)如圖31所示。(4)數(shù)據(jù)的接收發(fā)送。包括模擬設(shè)備的重新連接與斷開，對收到的設(shè)置包進(jìn)行判斷分析，從而對主設(shè)備的請求做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，完成對設(shè)備的配置任務(wù)。設(shè)置一些特殊寄存器的初始值，以實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)備功能或?qū)傩?，例如使能端點(diǎn)、開中斷、配置端口等。因此，用戶必須編寫固件程序去輔助硬件完成USB的通信任務(wù)。下面對軟件的設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹。3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件部分總共分為三塊：采集設(shè)備固件程序、采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和用戶應(yīng)用程序。本系統(tǒng)使用兩片CD4051組成16路的多路開關(guān)。改變CD4051的IN/OUT0~7及OUT/IN的傳遞方向，可用做多路開關(guān)和反多路開關(guān)[9]。當(dāng)CBA為000~111B時(shí)，可產(chǎn)生8選1控制信號(hào)，使8路通道中的某一通道的輸入與輸出接通。多路開關(guān)圖如圖29所示： 圖29 多路開關(guān)電路其中A0A3為地址，S0S15為模擬信號(hào)，IN/OUT為總輸入輸出。三位二進(jìn)制信號(hào)選8通道中的某一通道，可連接該輸入端至輸出。這些開關(guān)電路在整個(gè)VDDVSS和VDDVEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無關(guān)。由于系統(tǒng)要求有8路脈沖量輸入，因此，脈沖量輸入電路由3片8253組成。當(dāng)8253做外部事件計(jì)數(shù)器時(shí)，在CLK端所加的計(jì)數(shù)脈沖由外部事件產(chǎn)生，這些脈沖的間隔可以不相等。電路如圖27所示：圖27 開關(guān)量輸出電路 脈沖輸入電路設(shè)計(jì) 8253是可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其內(nèi)部有三個(gè)獨(dú)立的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)通道都可以按二或十進(jìn)制計(jì)數(shù)，并且每個(gè)通道都可按6種不同的方式工作。對于273每個(gè)觸發(fā)器的功耗典型值為39mW，對于LS273為10mW。當(dāng)時(shí)鐘輸入為高電平或低電平時(shí)，D輸入信號(hào)對輸出無影響。低電平清除，上升沿鎖存。由于系統(tǒng)要求有16路開關(guān)量輸入，因此，開關(guān)量輸入電路由2片74LS244組成。 周邊電路設(shè)計(jì)由于系統(tǒng)要求必須由16路開關(guān)量以及8路脈沖信號(hào)輸入，因此周邊電路的設(shè)計(jì)包括開關(guān)量輸入電路、脈沖輸入電路以及多路開關(guān)電路，完成信號(hào)的輸入處理及輸出工作。 CH372與下位機(jī)連接電路設(shè)計(jì)圖25 CH372與單片機(jī)連接電路在沒有外部擴(kuò)展總線的單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)也可以用普通的I/O引腳模擬出8位并口時(shí)序操作CH372芯片。圖24中，在電源斷電后將電解電容C4中的電能及時(shí)釋放掉會(huì)用到可選電阻R2，使VCC及時(shí)下降到0V，確保在下次通電時(shí)CH372能夠可靠地上電復(fù)位。CH372需與上位機(jī)及下位機(jī)連接來完成數(shù)據(jù)交換，下面詳細(xì)介紹其連接電路的設(shè)計(jì)。 USB接口芯片CH372是CH375芯片的功能簡化版和CH371的升級(jí)產(chǎn)品，它是一個(gè)USB線的通用設(shè)備接口芯片。DAC寄存器采用雙緩存，允許設(shè)備中寫入一整套新值LDAC實(shí)現(xiàn)了對DAC輸出值的同時(shí)更新。REF AD四個(gè)引腳分別表示DAC AD基準(zhǔn)電壓輸入。TLC5620中GND接地，REF AD連接+5V電源，VDD接+，具體電路圖如圖23所示：圖23 D/A轉(zhuǎn)換電路對TLC5620I和TLC5620C是通過一根簡單的3路串行總線來實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的。這些轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生單調(diào)的、1至2倍于基準(zhǔn)電壓和接地電壓差值的輸出。內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘以這種方式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換電路以便控制，硬件和軟件不需要涉及此項(xiàng)任務(wù)。I/O CLOCK和內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘獨(dú)立使用且不需要任何二者之間的相位關(guān)系或特定的速度。TLC549重復(fù)一次輸入轉(zhuǎn)換輸出周期為25181。器件可在17181。器件有兩個(gè)控制輸入：芯片選擇和I/O CLOCK，這是為了提高訪問速度和靈活性。TLC549的其他特點(diǎn)包括可在微處理器控制下控制片內(nèi)采樣保持電路或自動(dòng)工作；具有差分高阻抗基準(zhǔn)電壓輸入端、易于實(shí)現(xiàn)比率轉(zhuǎn)換的高速轉(zhuǎn)換器；整個(gè)開關(guān)電容逐次逼近轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計(jì)允許以不大于177。 A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換 TLC549芯片電路設(shè)計(jì) TLC549是TI公司生產(chǎn)的一種高性能、低價(jià)位的8位A/D轉(zhuǎn)換器，它以8位開關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，最大轉(zhuǎn)換速率為40KHZ，4MHZ典型內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘，電源為3V至6V。在內(nèi)置固件模式下，本地端單片機(jī)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換，端點(diǎn)0的所有事務(wù)由CH372自動(dòng)處理默認(rèn)，單片機(jī)程序非常簡潔[6]。CH372具有靈活省事的內(nèi)置和外置兩種雙重固件模式，內(nèi)置了USB通訊中的底層協(xié)議。AT89C52單片機(jī)屬于AT89C51單片機(jī)的增強(qiáng)型，與Intel公司的80C52在硬件組成、引腳排列、指令系統(tǒng)和工作特點(diǎn)等方面兼容。 芯片的選擇 本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)中的AT89C52為主控制器件。軟件系統(tǒng)包括固件程序、驅(qū)動(dòng)程序以及用戶程序的設(shè)計(jì)來完成數(shù)據(jù)的采集及顯示工作。此設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此，隨著電腦對USB接口的普及和數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)際應(yīng)用增加，以及推進(jìn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化已成為急需解決的現(xiàn)實(shí)問題[4]。、靈活方便、高性能以及可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)，將會(huì)逐步成為計(jì)算機(jī)的主要輸入和輸出方式。目前，USB接口的開發(fā)和應(yīng)用在廣度和深度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的串行端口、并行端口以及各種總線插卡，其應(yīng)用主要局限于制定一些標(biāo)準(zhǔn)的PC外圍設(shè)備，如U盤、鍵盤、鼠標(biāo)。但是，該公司的USB數(shù)據(jù)采集卡系列產(chǎn)品的價(jià)格是非常昂貴的。典型的是美國NI公司開發(fā)了一系列的USB數(shù)據(jù)采集卡。這項(xiàng)技
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