【正文】 電源電壓監(jiān)視；電源電路主要為各部分提供要求的電源；外設(shè)與主機間的通信電路采用 USB 接口。協(xié)議引擎部分的主要作用是操作控制管道 (端點 0)的消息流、 USB標準中相關(guān)內(nèi)容規(guī)定的最底層協(xié)議和數(shù)據(jù)接受與發(fā)送。在開發(fā) USB的外圍設(shè)備時，需要有主機中主控制器對應(yīng)外設(shè)控制器和外設(shè)響應(yīng)軟件程序 。本章為本設(shè)計下面內(nèi)容的展開奠定了基礎(chǔ)。 wLength 表示 長度，如果傳輸?shù)氖且唤M數(shù)據(jù)，則這個長度的值表示要傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 bRequest 表示USB 設(shè)備請求值，標準請求有 11 個命令。 Setup 包格式如表 21 所示。 但是只有類請求是不能滿足眾多 USB 廠商的需求的，所以， USB 協(xié)議允許一個供應(yīng)商為它的設(shè)備自定義特殊的請求，此類請求稱為廠商請求。 USB 規(guī)范定義了 11 種標準請求，所有設(shè)備都必須對這 11 種請求作出響應(yīng)，即使當主機沒有給設(shè)備分配一個地址或者沒有配置設(shè)備。端點描述符由 7 個字節(jié)組成，分為 6 個字段。除了端點 0 外，一個接口所使用 的每一個端點都有它自己的描述符。接口描述符由 9 個字節(jié)組成，分為 9 個字段。 接口描述符描述了一個配置中的特定接口。當主機請求獲取一個配置描述符的時候，與配置描述符相關(guān)的所有接口、端點描述符都會一并返回。 配置、接口以及端點描述符是在主機得到設(shè)備描述符之后發(fā)送給主機的。各個描述符的樹狀結(jié)構(gòu)如圖 25 所示： 圖 25 描述符的樹狀結(jié)構(gòu) 設(shè) 備 描 述 符配 置 描 述 符 配 置 描 述 符 配 置 描 述 符接 口 描 述 符 接 口 描 述 符端 點描 述 符接 口 描 述 符端 點描 述 符端 點描 述 符端 點描 述 符端 點描 述 符端 點描 述 符— 第 9 頁 共 56 頁 — 設(shè)備描述符描述了一個 USB 設(shè)備的總體信息，它在枚舉過程中主機從設(shè)備讀取的第一個描述符。但每一個設(shè)備可以有幾個配置描述符，它包含了電源管理信息以及所支持的接口號碼。不同的描述符從不同的層級來表示設(shè)備的屬性。當被掛起時， USB設(shè)備保留了包括其地址和配置信息在內(nèi)的所有的內(nèi)部狀態(tài)。 ⑧ 掛起 為了節(jié)省電 源，當總線保持空閑狀態(tài)超過 3ms以后，設(shè)備驅(qū)動程序就會進入掛起狀態(tài)，在掛起狀態(tài)時，設(shè)備的消耗電流不超過 500181。 ⑥ 讀取 USB 設(shè)備描述符 主機分配給設(shè)備地址后，通過這個地址主機讀取該設(shè)備描述符，確認 USB 設(shè)備的屬性。 ④ 設(shè)備默認狀態(tài) 設(shè)備收到一個復位信號后，連接到主機的所有設(shè)備的地址為默認地址（ 00H），主機會首先發(fā)送一個獲取設(shè)備描述符的請求，設(shè) 備通過這個默認地址向主機發(fā)送第一次設(shè)備I N O U TD A T A 0 /D A T A 0I d leI d leT o k e nD a taH o s t F u n c tio n— 第 8 頁 共 56 頁 — 描述符。 ② 設(shè)備上電 USB 設(shè)備可以采用 USB 總線供電，也可以使用外部電源供電。這個過程即稱為 USB 的總線枚舉。當主機發(fā)現(xiàn)一個新的設(shè)備時，會要求集線器建立與設(shè)備的通信通道，即設(shè)備的端點 0，控制傳輸端點。 USB 總線枚舉過程中， USB 設(shè)備需要經(jīng)歷后 4 種狀態(tài)。同步傳輸沒有聯(lián)絡(luò)階段，所以不能保證傳輸?shù)耐耆煽啃?。中斷傳輸必須在指定的時間內(nèi)完成，它一般應(yīng)用于鼠標、鍵盤、游戲桿等 HID（ Human Interface Device）類設(shè)備以及集線器的狀態(tài)報表中。如果需要雙向傳數(shù)據(jù)，需要另建立一個管道。任何剩下的數(shù)據(jù)都作為剩余在最后的事務(wù)中被發(fā)送。在數(shù)據(jù)項中要發(fā)送的數(shù)據(jù)的數(shù)量和其方向在建 立階段被指定。 控制傳輸?shù)脑O(shè)置事務(wù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 圖 21 控制傳輸結(jié)構(gòu)示意圖 控制傳送的數(shù)據(jù)階段，由一個以上的輸入或輸出事務(wù)構(gòu)成，遵守和批處理傳送相同的協(xié)議規(guī)則。端點 0 只可以采用控制傳送的方式。 USB 的傳輸結(jié)構(gòu) USB 的傳輸結(jié)構(gòu)描述的是各個類型 USB 傳輸?shù)臅r序、數(shù)據(jù)包和特征。 ⑤ ERR（ Error）：表示在集線器和主機事務(wù)中，設(shè)備沒有傳回預(yù)期的聯(lián)絡(luò)信號。 — 第 5 頁 共 56 頁 — ③ STALL：表示 3 種意義，即不支持的控制要求、控制要求失敗或端點失敗。 USB定義的聯(lián)絡(luò)信號如下： ① ACK(Acknowledge)：表示主機或設(shè)備已成功接收數(shù)據(jù)。 在控制傳輸、批量傳輸和中斷傳輸中都有一個相位是聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)包，它包含的是聯(lián)絡(luò)信息。 信息包是一個區(qū)塊的固定格式信息，每個信息包由一個信息包標示符（ PID）開頭，作為信息包的識別。每一個傳輸類型的傳輸包括一個或多 個階段 (Stage)，一個階段即一種類型的事務(wù)。 事務(wù)、信息包和聯(lián)絡(luò)信號 每一個 USB 傳輸包含一個或多個事務(wù)，每一個事務(wù)又包含一到三個信息包。 不同的傳輸類型使用不同的管道，此外管道還可以被分為消息管道（ Message Pipe）和流管道（ Stream Pipe）消息管道是指具有某種 USB 定義格式的數(shù)據(jù)流，是雙向的管道；而流管道則是不具有 USB 定義格式的數(shù)據(jù)流，不具有雙向性。管道隨著主機和設(shè)備的連接的建立而建立，當移除設(shè)備時，管道也跟著被移除。控制端點是雙向傳輸數(shù)據(jù)，其他端點都是單向數(shù)據(jù)傳輸。端點號可以是 0—15，方向可以是 IN（設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給主機）或者 OUT（主機發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備）。通常情況下，設(shè)備端點是一個內(nèi)存區(qū)域，或者是控制芯片的一個緩存器，端點的作用是數(shù)據(jù)緩存。在個人電腦逐步進入家庭的當今，這樣的系統(tǒng)應(yīng)當具有一定的應(yīng)用前景。 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的目的在于為實驗室現(xiàn)有的一套頻率特性測試儀的改進做前期工作。 Philips公司提供了 PDIUSBD1 2的開發(fā)包，包括軟件和硬件兩部分。以圖形的方式動態(tài)的顯示采樣數(shù)據(jù) 。 3. 用戶應(yīng)用程序 : 應(yīng)用程序是采集到數(shù)據(jù)最終顯示、處理的地方。此外還包括控制 ADC0809芯片完成對模擬信號的轉(zhuǎn)換代碼，以及 USB設(shè)備所需各種描述符的定義。 軟件方面分如下幾部分 : 1. 單片機固件 : 本系統(tǒng)中的單片機固件采用 C語言編寫，使用 KeilC 51編譯器為開發(fā)工具。采用常用的 AT89C51作為系統(tǒng)的 CPU: ADC0809芯片作為 AD轉(zhuǎn)換芯片。具體需要做的工作包括軟件和硬件兩部分。但隨著操作系統(tǒng)、硬件廠商對 USB的進一步支持，其在 PC外設(shè)方面的將大有可為。USB總線傳輸距離有限 。用戶可以直接使用這個總線電源。這使得 USB總線適合多種外設(shè)的傳輸需要。 5. 使用靈活 :USB支持三種類型的傳輸速率， 、 12Mb/s的全速傳輸和 480Mb/s的高速傳輸。 3. 共享式接口 :USB端口支持多個外設(shè)的連接，通過 USB集線器，一個 USB主控制器可以連接多達 126個外設(shè)。并加載適合的驅(qū)動程序。 2. 即插即用 :USB實現(xiàn)了自動配置，它不需要用戶手動配置 I/O地址和中斷請求(URQ)。與其他的老式 PC機接口相比， USB具有如下優(yōu)點： 1. 熱插拔 :用戶可以把 USB外設(shè)連接到一臺正在運行的 PC機上，操作系統(tǒng)能自動識別，并且用戶可 以立即使用，而不需要重新啟動。基于 USB的高速數(shù)據(jù)采集卡充分利用 USB總線的上述優(yōu)點，有效解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。 USB串行總線優(yōu)勢 通用串行總線 USB( UniversalS erialB us)是 1995年康柏、微軟、 IBM,D EC等公司為解決傳統(tǒng)總線不足而推廣的一種新型的通信標準。使用到的軟件工具包括 Prote199,K eilC 51,M icrosoftV isualSt udio6 .0,W in2021DDK:使用到的硬件工具包括單片機寫入器、萬用表、示波器等等。并為后續(xù)的使用 USB總線對實驗室 現(xiàn)有的 “頻率特性測試系統(tǒng) ”改進作前期準備工作。在一些電磁干擾性強的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，易導致采集的數(shù)據(jù)失真。價格昂貴 。本課題為簡化開發(fā)難度，充分利用現(xiàn)有 的工作環(huán)境采用較常用的 AT89C52單片機作為系統(tǒng)控制器。其中控制器一般采用通用的單片機，包括 4位、 8位、 16位以至 32位的各類單片機 。驅(qū)動程 序以 WDM為模型，以 DDK為開發(fā)工具，以 IRP為消息傳播載體，來實現(xiàn)與 Windows系統(tǒng)底層核心機制相交互的功能。 USB通訊技術(shù)的出現(xiàn)，使高傳輸速度、強糾錯能力、易擴展性、方便的即插即用，有機的結(jié)合在一起。完成 “軟件既儀器 ”的理念 . 信息技術(shù)與電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得計算機和外圍設(shè)備也得到飛速發(fā)展和應(yīng)用?，F(xiàn)在通用的數(shù)據(jù)采集卡一般多是利用微機機箱 內(nèi)的 PCI插槽或 ISA插槽進行擴展。軟件設(shè)計可分為三部分：一是充分了解 D12 的主要功能特點，為滿足D12 在 USB 上的最大傳輸速率而編寫固件程序，用 C51 語言編寫：二是了解 USB 的設(shè)備驅(qū)動程序與應(yīng)用。該系統(tǒng)用傳統(tǒng)的 USB 總線取代了 RS232 串行總線，通過對 USB 協(xié)議和設(shè)備構(gòu)架的 充分理解，對以單片機 89C51 和 USB 接口芯片 D12 為主的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計和軟件編程，并在此設(shè)計的基礎(chǔ)上給出相應(yīng)的原理圖。除此之外 ,論文還介紹了設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā) ,并在文章結(jié)尾對 USB的應(yīng)用前景進行了探索。二是為用戶提供的以動態(tài)鏈接庫形式封裝的功能函數(shù) 。硬件設(shè)計主要解決了控制器與主機通信問題 ,數(shù)據(jù)采樣、模擬輸出 、 I/O擴展等電路設(shè)計以及它們之間的接口。本論文所闡述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了集成了微處理器的 USB接口芯片 PDIUSBDI2來完成采樣控制并與 PC機應(yīng)用程序完成系統(tǒng)通信功能 ,由應(yīng)用程序完成用戶命令及數(shù)據(jù)的顯示。 指導教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 目 錄 第一章 緒論 ..................................................................................................................5 課題背景 ...........................................................................................................5 課題的提出 .......................................................................................................5 USB串行總線優(yōu)勢 ............................................................................................6 本課題研究的內(nèi)容和意義 ...............................................................................7 第二章 USB概要設(shè)計 ...............................................................................................9 USB傳輸要件 ....................................................................................................9 事務(wù)、信息包和聯(lián)絡(luò)信號 ...............................................................................9 USB的傳輸結(jié)構(gòu) ..............................................................................................10 USB總線枚舉過程 ..........................................................................................13 USB的設(shè)備描述符 ..........................................................................................14 USB請求 ..........................................................................................................15 第三章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬