【正文】 唯一的地址。 表 22 PID 類型 PID 類型 PID 名稱 PID[3… 0] 說明 令牌 (Token) OUT 0001b 地址 +端點(diǎn)號 IN 1001b 地址 +端點(diǎn)號 SOF 0101b 幀標(biāo)志，表示幀標(biāo)號開始 SETUP 1101b 地址 +端點(diǎn)號 數(shù)據(jù) （ DATA） DATA0 0011b 數(shù)據(jù)分組偶 PID DATA1 1011b 數(shù)據(jù)分組奇 PID 握手 （ Handsake） ACK 0010b 接收器接受到無誤的數(shù)據(jù)分組 NAK 1010b 接受設(shè)備不能接受數(shù)據(jù)或發(fā)送設(shè)備不能發(fā)送的數(shù)據(jù) SALL 1110b 端點(diǎn)被靜止 特殊 PRE 1100b 主機(jī)發(fā)出低速通信的前導(dǎo)信號 地址域 (AddressField)：外設(shè)端點(diǎn)都是由地址域指明的，它包括兩個(gè)子域：地址域和端點(diǎn)域，外設(shè)必須解讀這兩個(gè)域，其中有任何一個(gè)不匹配，這個(gè)令牌就會被忽略。主機(jī)和所有的外設(shè)都必須對接收到的 PID 域進(jìn)行解碼，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤或者解碼為未定義的值，那么這個(gè)包就會被接收者忽略，如果外設(shè)接收到一個(gè) PID，它所指明的操作類型或者方向不被支持，外設(shè)將不做出響應(yīng)。 標(biāo)識域 (PID Paeket Identifier Field)：是由一個(gè) 4 位的分組類型碼加上 4 位類型碼的 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 35 頁 反碼組成，其格式如圖 所示。所有的數(shù)據(jù)通訊過程都可以歸結(jié)為三種包的傳輸：令牌包、數(shù)據(jù)包和應(yīng)答包，這些包都是由不同的域組成的，格式如表 21 所示。 在實(shí)際開發(fā)過程中，我們可以采用其中的一種或幾種方式來設(shè)計(jì)我們的系統(tǒng)。同步傳輸不對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測，它主要保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，適用于實(shí)時(shí)性要求比較高的場合，具有周期性、連續(xù)性的特點(diǎn)。具有數(shù)據(jù)量小、非周期性、低頻率、延時(shí)一定等特點(diǎn)。塊傳輸支持兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)傳輸 (即主機(jī)到設(shè)備和設(shè)備到主機(jī) )，適用于打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等不定期傳送大量數(shù)據(jù)的中速設(shè)備，具有非周期性和突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 35 頁 塊傳輸主要用于完成主機(jī)和設(shè)備之間的大批量數(shù)據(jù)傳輸，這種傳輸方式可以利用任何可用的帶寬進(jìn)行傳輸，或可以延遲到有可利用的帶寬時(shí)再進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)。它們在數(shù)據(jù)格式、通信流方向、數(shù)據(jù)包容量限制、總線訪問限制、所要求的數(shù)據(jù)順序等方面有著各自不同的特征。每一次傳輸是由事務(wù)(transaction)所組成，每一筆事務(wù)都是由信息包 (packet)所組成，每一個(gè)信息包則是包含傳輸?shù)男畔ⅰ．?dāng)設(shè)備被系統(tǒng)檢測到時(shí)，這些客戶程序?qū)⒅苯幼饔糜谕鈬布?，這個(gè)共享的特性將 USB 系統(tǒng) 軟件置于客戶和它的設(shè)備之間，也就是說，一個(gè)客戶程序不能直接訪問設(shè)備硬件，而是根據(jù) USBD 在客戶端形成的設(shè)備映像由客戶程序?qū)λM(jìn)行處理。 USBD 以 I/O 請求包 (IRPS)的形式提供數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)架，它由通過特定管道 (PIPE)傳輸數(shù)據(jù)的需求組成。 USB 驅(qū)動程序 (USBD)位于 UHCD 之上，它提供驅(qū)動器級的接口，滿足現(xiàn)有設(shè)備驅(qū)動器設(shè)計(jì)的要求。 UHCD 實(shí)現(xiàn)了與 USB主控制器通信和控制 USB 主控制器的一些細(xì)節(jié)，它對系統(tǒng)軟件的其它部分是隱蔽的。通用主控制器驅(qū)動器 (UHCD)處于軟結(jié)構(gòu)的最底層，由它來管理和控制主控制器。 主控 制器驅(qū)動程序能夠更容易的將不同的主控制器設(shè)備影射到 USB 系統(tǒng)中，因此客戶可以在不知其設(shè)備連接在那個(gè)主控制器的情況下與設(shè)備相互作用。主機(jī)中客戶程序軟件與設(shè)備功能間的通信代表了設(shè)備需求與設(shè)備能力之間的約定。實(shí)箭頭表示主機(jī)上的實(shí)際通信，設(shè)備上的相應(yīng)接口根據(jù)不同的儀器而不同。 整個(gè) USB 系統(tǒng)通信模塊具體的參考模型如圖 所示 圖 通信模塊具體的參考模型 從圖 中可以看出 USB 通信的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)。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(jì)。最后，闡述了 數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)。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。 (2) 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。 本課題的主要內(nèi)容 本課題的內(nèi)容按章節(jié)大致可以分為 4 個(gè)方面： (1) 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) 。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，尤其是 PC 機(jī)的出現(xiàn)，大大地促進(jìn)了工業(yè)自動化的程度，現(xiàn)在越來越多 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 35 頁 設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動控制和無人職守，而這一切又促進(jìn)了數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展。隨著大規(guī)模集成電路 與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將在雷達(dá)、通信、水聲、遙感、語音處理、智能儀器、工業(yè)自動化以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常需要對一些物理量進(jìn)行采集，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。 數(shù)據(jù)采集是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，是信息處理系統(tǒng)的最前端。但是 USB 接口在工業(yè)控制 領(lǐng)域、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及只能儀器儀表中的應(yīng)用還不多見。隨著 USB 總線的發(fā)展， USB 總線接口在嵌入式系統(tǒng)以及個(gè)人電腦的外圍設(shè)備中的應(yīng)用發(fā)展非常迅速。尤其是 Microsoft 公司在其 WIN98 之后的操作系統(tǒng)中加強(qiáng)了對 USB 的系統(tǒng)支持后， USB 總線迅速發(fā)展起來。之后，隨著 USB 的普及與推廣， USB 的成員一直持續(xù)不斷地增加，如今已是非常龐大的推廣組織了。 1998 年，在進(jìn)一步對以前版本的標(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。同一年，該聯(lián)盟建立了實(shí)施者論壇 (以下簡稱 USBIF)來加速 USB 標(biāo)淮的高質(zhì)量兼容設(shè)備的開發(fā)。 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)。 3)數(shù)據(jù)傳輸速度比一般的串 行總線 (如 RS232， RS485 等 )快， 標(biāo)準(zhǔn)的接口最快可以達(dá)到 12Mbps，可以滿足絕大多數(shù)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。USB 為接纜和連接頭提供了單一模型，解決了外設(shè)越來越多造成的插槽緊張問題。 USB 設(shè)備支持即插即用，安裝 USB 設(shè)備不必再打開機(jī)箱，加減已安裝過的設(shè)備，完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。因此，我們能夠利用 USB 總線接口比較容易的實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。他不僅解決了 I/O 插口不夠的問題，而且建立了一條連接和訪問外設(shè)的方法。根據(jù)調(diào)查顯示， 70%的嚴(yán)重系統(tǒng)錯(cuò)誤和系統(tǒng)崩潰是由硬件沖突引起的。這種地址分配的方法已經(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。采用板卡不僅安裝麻煩，容易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制不可能掛接很多設(shè)備。 作者簽名： 日 期： 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 35 頁 1 緒論 課題的提出及意義 在工業(yè)生產(chǎn)和科研的各行業(yè)，常常利用 PC 或工控機(jī)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集這其中有很多地方需要對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 35 頁 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(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)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容?，F(xiàn)在常用的采集方式是數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有 42 485 等總線板卡。 在目前 PC 的 IO 模式中，外圍設(shè)備通常被映射為 CPU 的 IO 地址，并且被分配一個(gè)指定的 IRQ(中斷請求 )，在某些情況下也可以是一個(gè) DMA 通道。這給編程者帶來了不便，同時(shí)消耗了 PC 的許多系統(tǒng)資源，使許多系統(tǒng)資源不可使用，并且產(chǎn)生了很多沖突，由此造成了很多問題。 通用串行總線 (Universal Serial Bus，簡稱 USB)的出現(xiàn)，很好的解決了以上這些問題。這些方法可以有效的減少總體成本，減少硬件沖突。 這種采集系統(tǒng)由 于采用了 USB 總線接口而具備了如下優(yōu)點(diǎn)： 1)設(shè)備安裝和配置容易。所有 USB 設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進(jìn)行自動配置，不再占用中斷資源或者 DMA 資源，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。 2)接口數(shù)目多，每個(gè) USB 主機(jī)通過 USB 集線器，可以同時(shí)掛接最多 127 個(gè)外圍設(shè)備，有效地解決了多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) I/O 口不夠用的問題。在 PC 主機(jī)和采集系統(tǒng)都 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 35 頁 具備支持 標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片時(shí)，最快可以達(dá)到 480Mbps，可以滿足高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。 課題研究狀況 USB 在 1995 年被提出，并由 Compaq、 Digital Equipment Corp(現(xiàn)在屬于 Compaq)、IBM、 Intel、 Microsoft、 NEC 和 Northern Tele 七個(gè)計(jì)算機(jī)與通信工業(yè)領(lǐng)先的公司所組成的聯(lián)盟所定義和加以推廣。在 1996 年， USBIF 公布了 USB 規(guī)范 ，這是第一個(gè)為所有的 USB 產(chǎn)品提出設(shè)計(jì)請求的標(biāo)淮。第三個(gè)版本的 是發(fā)布于 1999 年。 歷經(jīng) 8 年的發(fā)展， USB 技術(shù)已經(jīng)非常成熟，也得到了 lT 業(yè)各硬件及件廠商的廣泛支持。目前， USB 總線的協(xié)議版本已經(jīng)達(dá)到了 ，支持的最高速度達(dá)到了 480Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般并行總線的數(shù)據(jù)傳輸速度。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的市場上使用 USB 接口的數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、移動硬盤、鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備隨處可見。因此，我們提出了基于 USB 總線接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它是以傳感器、信號測量與處理、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用技術(shù)，主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等作業(yè)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。在自動飛行控制和航天器的遙測、遙控中以及在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有很重要的地位。數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展是人機(jī)交互、狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備控制的基礎(chǔ)。在科學(xué)技術(shù)研究的各行各業(yè)中，常常利用 PC 機(jī)或工控機(jī)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等。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。 (3) 提出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。同時(shí)簡單介紹 了 PDIUSBD12 和單片機(jī) AT89C51 的特性和功能。 (4) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 35 頁 2 USB 軟件通信協(xié)議 USB 系統(tǒng)構(gòu)成 一個(gè) USB 系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成： 主機(jī)和設(shè)備：是指 USB 系統(tǒng)中的主要構(gòu)件； 物理構(gòu)成：是指 USB 元件的連接方法； 邏輯構(gòu)成：不同的 USB 元件所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧拓?zé)任，以及從主機(jī)和設(shè)備的角度出發(fā)USB 所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)； 客戶 軟件與設(shè)備功能接口的關(guān)系。主機(jī)和設(shè)備被分成如圖 所示的幾層。主機(jī)和設(shè)備間的通信最終發(fā)生在物理線路上，然而，在每一水平層之間存在著邏輯接口。其中 USB 采用 USB接口的高速數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 35 頁 系統(tǒng)軟件是由主控制器驅(qū)動程序 (HCD)、 USB 驅(qū)動程序 (USBD)和主機(jī)軟件組成。 HCD 與 USBD間的接口叫 HCDI，特定的 HCDI 由支持不同主控制器的操作系統(tǒng)定義。 USB 主控制器定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硬件接口，以提供一個(gè)統(tǒng)一的主控制器可編程接口。系統(tǒng)軟件中的更高層通過 UHCD 的軟件接口與主控制器 通信。 USBD 所實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確細(xì)節(jié)隨不同操作系