【正文】 ...... 37 三江學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第一章 緒 論 PC接口簡介 PC中的接口有兩類：串行接口和并行接口。 論文以單片機最小系統(tǒng)配合模擬鍵盤組成的 USB 鍵盤硬件系統(tǒng)，通過對D12 芯片的學習與探索，在其基本命令接口的支持下，結合硬件進行相應的固件程序設計，使其在 USB 協(xié)議下，實現(xiàn) USB 模塊與 PC 的數(shù)據(jù)通信， 完成 USB 鍵盤的功能模擬。 本論文闡述了 51 系列單片機和 USB 的相關內(nèi)容，詳細介紹了系統(tǒng)的一些功能設計，包括硬件設計和軟件設計。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印 4）圖表應繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔 1）設計（論文） 2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂 3）其它 V 摘 要 隨著計算機技術的不斷更新和多媒體技術的快速發(fā)展 ,傳統(tǒng)的計算機外設接口因為存在許多缺點已經(jīng)不能適應計算機的發(fā)展需要。 ：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。 涉密論文按學校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門 或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 作者簽名： 日 期： III 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 I 本科生畢業(yè)設計（論文） 題 目 基于 51 單片機的 USB 鍵盤設計與實現(xiàn) II 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，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 及其它教育機構的學位或?qū)W歷而使用過的材料。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權說明 本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 IV 注 意 事 項 （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關鍵詞 4）外文摘要、 關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論 7）參考文獻 8）致謝 9）附錄（對論文支持必要時） ：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于 萬字。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫 2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符 合國家技術標準規(guī)范。比起傳統(tǒng)的 AT， PS/2，串口，通用串行總線 USB,具有速度快 ,使用方便靈活 ,易于擴展 ,支持即插即用 ,成本低廉等一系列優(yōu)點 ,得到了廣泛的應用。在程序調(diào)試期間用簡單的串口通信電路，通過串口調(diào)試助手掌握了 USB 指令的傳輸過程，這對整個方案的設計起到了很大的指導作用。 總結論文研究工作有闡述 USB 總線的原理、對本設計的系統(tǒng)要求作出了分析、根據(jù)要求選定元件和具體編程方案、針對系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能對相關芯片作了詳細介紹以及在硬件部分設計了原理圖。計算機內(nèi)部總線，如 CPU與存儲器之間勻采用并行接口，這樣速度快；但外設卻以串行接口比較占優(yōu)勢。 SCSI標準的全名是小型設備通用接口標準，其傳輸速率為 10M，早期的掃描儀一般使用此接口，硬盤與主機的聯(lián)接也使用這種接 口。 USB接口和 IEEE1394接口是兩種速度比較高的串行接口，還有局域網(wǎng)中的以太網(wǎng)接口，它們具有較廣闊的發(fā)展前景和應用潛力。 480Mbps，而 IEEE1394也推出了 1394b 版草案，速度從 800Mbps起步，最高可達 。 USB 接口分析 通用串行總線 (Universal Serial Bus USB），是一種快速、靈活的總線接口。作為一種高速總線接口， USB適用于多種設備，如數(shù)碼相機、 MP3播放機、高速數(shù)據(jù)采集設備等。 USB接口支持(低速 )、 12Mb/s(全速 )和高 達 480Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，扣除用于總線狀態(tài)、控制和錯誤監(jiān)測等的數(shù)據(jù)傳輸， USB的最大理論傳輸速率仍達 ，遠高于一般的串行總線接口。 USB 器件的選擇 在進行一個 USB設備開發(fā)之前，首先要根據(jù)具體使用要求選擇合適的 USB控制器。帶 USB接口的單片機從應用上又可以分成兩類，一類是從底層設計專用于 USB控制的單片機另一類是增加了 USB接口的普通單片機，如 Cypress公司的 EZ－USB(基于 8051），選擇這類 USB控制器的最大好處在于開發(fā)者對系統(tǒng)結構和指令集非常熟悉，開發(fā)工具簡單，但對于簡單或低成本系統(tǒng)。純粹的 USB 接口芯片僅處理 USB通信，必須有一個外部微處理器來進行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。 USB接口芯片的主要特點是價格便宜、接口方便、可靠性高，尤其適合于產(chǎn)品的改型設計（硬件上僅需對并行總線和中斷進行改動，軟件則需要增加微處理器的 USB中斷處理和數(shù)據(jù)交換程序、 PC機的 USB接口通信程序，無需對原有產(chǎn)品系統(tǒng)結構作很大的改動）。主機作為總線的主叫方，采用兩種信令模式：全速模式 12Mb/s 和低速模 。 Intel 公司開發(fā)的通用串行總線架構 (USB)的目的主要基于以下三方面考慮： 一、計算機與電話之間的連接 顯然用計算機來進行計算機通信將是下一代計算機基本的應用。然而，由于目前產(chǎn)業(yè)間的相互獨立發(fā)展 ,尚未建立統(tǒng)一標準 ,而 USB 則可以廣泛的連接計算機和電話。對用戶友好的圖形化接口和一些軟硬件機制的結合，加上新一代總線結構使得計算機的沖突大量減少，且易于改裝。 三、端口擴充 外圍設備的添加總是被相當有限的端口數(shù)目限制著?，F(xiàn)有的連接只可對極少設備進行優(yōu)化，對于 PC 機的新 的功能部件的添加需定義一個新的接口來滿足上述需要， USB 就應運而生。碼主要存儲在單片機中，通過單片機中的軟件代碼運行后，通過各個管腳的控制外圍輔助電路的運行以實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。Play)。目前 USB 支持 3 種數(shù)據(jù)信號速率， USB 設備應該在其外殼或者有時是自身上正確標明其使用的速率。 （ 2） 12 Mbit/s ( MByte/s)的全速速率，在 USB 之前是曾經(jīng)是最高速率，后起的更高速率的高速接口應該兼容全速速率。所有的 USB Hub 支持全速速率。并非所有的 USB 設備都是高速的。 USB系統(tǒng)構成 USB 系統(tǒng)主要由三部分組成，即宿主（ host）， USB 設備（ device）和 USB 連接。 USB 宿主主要用于產(chǎn)生并且管理控制信號和數(shù)據(jù)流，檢測 并 處理總線上的各種活動的狀態(tài)，并為總線上的 USB 設備提供能源。其中，硬件部分指的是 USB宿主控制器，一般集成在主板上，受 USB 系統(tǒng)軟件的控制。 2. USB 驅(qū)動程序（ USB Driver）在設備設置時讀取描述寄存器以獲取 USB 設備的特征，并根據(jù)這些特征，在請求發(fā)生時組織數(shù)據(jù)傳輸。 二、 USB 設備 USB 設備用于完成特定的功能，它具 有極強的擴充性，能以一種星型 +級 聯(lián)的方式連接起來， USB 宿主可以根據(jù) USB 設備的動態(tài)增減，對其進行動態(tài)配置。 USB 功能器件作為 USB 外設 ，它必須保持和 USB 協(xié)議的完全兼容，并可以響應標準的 USB 操作。 在物理機制上，一個 USB 外設可以由四部分構成： （ 1） 用于實現(xiàn)和 USB 協(xié)議兼容的 SIE 部分。 三江學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 5 根據(jù)傳輸率的不同， USB 功能器件被分為高速和低速兩種。例如鼠標，鍵盤等交互式設備就是低速設備運行，而打印機，掃描儀就使用全速設備模式運行。 USB 系統(tǒng)軟件通過缺省管道 (與端點 0 相對應 )管理設備，設備驅(qū)動程序通過其它的管道來管理設備的功能接口。需要注意的是所有的數(shù)據(jù)傳輸都是由主機開始的，任何外設都無權開始一個傳輸。 USB 總線將 1ms 定義為一幀，每幀以一個 SOF 包為起始，在這 1ms 里 USB 進行一系列的總線操作，引入幀的概念主要是為了支持與時間有關的總線操作。它們在數(shù)據(jù)格式，傳輸方向 ，數(shù)據(jù)包容量限制，總線訪問限制等方面有著各自不同的特征。單片微型計算機簡稱單片機。由于它的結構與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設計的，故又叫 單片微控制器。目前，單片機以其高可靠性、高性能價格比，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動化、日常生活用品等諸多領域得到極為廣泛的應用。 早期單片機大多結構體系，指令復雜，指令代碼、周期數(shù)不統(tǒng)一、指令運行很難實現(xiàn)流水線操作，大大阻礙了運行速度的提高。一方面可獲得很高的指令運行速度，另方面，在相同的運行速度下，可大大降低時鐘頻率，有利于獲得良好的電磁兼容效果。使用專用單片機可最大限度地簡化系統(tǒng)結構，使資源利用效率最高。專用單片機發(fā)展的基礎是半導體集成工藝和微電子設計技術。 單片機特點及結構 本系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機，它是一種低電壓、低功耗、高性能微控制器，具有 8K 字節(jié)可編程可擦出只讀存儲器。它與 MCS－ 51 指令系統(tǒng)兼容。 三江學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 7 圖 引腳功能說明如下： ① VCC：供電電源。 ③ P0 口 （ ～ ）：為雙向 8 位 I／ O 端口。它是地址總線低 8 位及數(shù)據(jù)總線分時復用口，可以驅(qū)動 8 個 TTL 負載 。當 P0 口作為地址 /數(shù)據(jù)復用時不用接上拉電阻。 ⑤ P2 口（ ～ ）：為 8 位準雙向 I／ O 口，當作為 I／ O 口使用時，可直接連接外部 I／ O 設備，可驅(qū)動 4 個 TTL 負載。 ⑥ P3 口（ ～ ）：為 8 位準雙向 I／ O 口，可驅(qū)動 4 個 TTL 負載，是雙功能復用口，它的另一功能如表所示。 RST 一旦變成高電平，所有的 I/O 引腳就復位到“ 1” 。每一個機器周期需 12 個振蕩器或時鐘周期。 ⑧ XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。 此外，從 STC89C52 內(nèi)部結構圖也可看出，其內(nèi)部結構與 8051 單片機內(nèi)部結構基本一致，引腳 RST、 XTAL XTAL2 的特性和外部連接電路也完全與 51 系列單片機相應引腳一致。無論使用哪種類型的單片機 ,總要涉及到單片機復位電路的設計。許多用戶在設計完單片機系統(tǒng) ,并在實驗室調(diào)試成功后 ,在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象 ,這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。 51 系列單片機的復位信號是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的觸發(fā)器中的。單片機系統(tǒng)的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位，如圖 圖 所示。只要高電平的復位信號持續(xù)兩個機器周期以上的有效時間，就可以使單片機上電復位。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位， RST 端的高電平信號必須維持足夠長的時間。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，C3 1uF 10k VCC RESET VCC RST GND VCC STC89C52 1uF 10k 三江學院 2020屆本科生畢業(yè)設計（論文） 9 系統(tǒng)將端口置為全“ l”態(tài)。 ② 手動按鈕復位： 手動按鈕復位需要人為在復位輸入端 RST 上加入高電平（如圖所示）。當人為按下按鈕時，則 Vcc 的 +5V 電平就會直接加到 RST 端。由 于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復位的要求。 PHILIPS 公司的 PDIUS