【正文】 或者一個 16 位字。模塊有三個總線接口：外設（ IP）總線接口， IP 先進先出緩沖接口（ FIFO）和 S12 的 CPU 接口 (EEPROM 總線 )。 CPU 可以通過對 QUE 控制器寄存器的操作實現(xiàn)對 QRAM 的寫入或者讀出。當從 FIFO 數(shù)據(jù)端口訪問 QRAM 中的信息時，指針會自動更新，此時 QRAM 緩沖區(qū)以環(huán)形或線性 FIFO 方式工作。 系統(tǒng)設計方案論證 系統(tǒng)指標分析 本系統(tǒng)可以看作是一個簡單的嵌入式設備，因此 ， 對系統(tǒng)要完成如下功能： 要求 PC 機上有較為友好的操作界面（ GUI） 。 用 USB 高速傳輸模式。 硬件板塊要求小巧而且布局美觀，以達到便攜式要求。 對于系統(tǒng)硬件設備的主要芯片， UF32 對本系統(tǒng)相當合適， 所有 本次設計選用飛思卡爾 16 位高性能單片機 MC9S12UF32 作為核心控制模塊。 通重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 7 過 USB 總線以 高速批量傳輸方式，將相應參數(shù)信息傳遞給處理板 （ MC9S12UF32單片機為核心的硬件系統(tǒng) ）， 首先 UF32 接收到上位機的信息，然后作為脈沖產(chǎn)生模塊的輸入?yún)?shù)，并將這些參數(shù)寫到相應寄存器內(nèi)，從而產(chǎn)生對應波形。USB 客戶軟件是 PC 程序?qū)崿F(xiàn)的目 標 ， 包括 USB 設備驅(qū)動和界面應用程序。本次 PC 端主要模塊即為 VC++圖形界面的設計，要求界面包括如下指標及參數(shù)的設定： 設備打開成功與否，狀態(tài)顯示。 頻率設置、占空比設置、脈沖個數(shù)設置、脈沖輸出使能設置窗口。 PC 客戶軟件 USB 接收模塊 IQUE模塊 電源模塊 時鐘與復位模塊 脈沖產(chǎn)生模塊 BNC 輸出 其他引出接口 BDM 調(diào)試模塊 狀態(tài)顯示模塊 USB 驅(qū)動程序 主機 USB其他程序與接口 UF32 核心處理模塊 圖 系統(tǒng)設計框圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 8 退出按鈕。 UF32的 USB 6個端點，其中 1端點作為默認的零號控制端點使用， 3 端點可以各自使用內(nèi)部 64 字節(jié)的寄存器緩沖區(qū)， 5 端點可以使用 UF32 的集成隊列模塊 (IQUE)進行數(shù)據(jù)緩沖，這個模塊是一個類似于 DMA方式的模塊，用于外設和內(nèi)存之間傳送數(shù)據(jù)，而不需要 CPU 的干預。這樣 PC上傳下來的數(shù)據(jù)將保存到該 QRAM中， CPU要讀取數(shù)據(jù)，可以直接通過對 QRAM相應地址讀數(shù)據(jù)即可。利用分別不同時刻交替的向 TCx 賦值為HighTime 和 LowTime 來完成占空比和頻率可調(diào)。重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 9 第三章 通信接口設計 引言 計算機總線是計算機各部件之間進行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?，根?jù)信號類型的不同，微型計算機的總線一般分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線 三種 。 USB 不是一種新的總線標準，而是應用在 PC 領域的接口技術。 USB 用一個 4 針插頭作為標準插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設連接起來，最多可以連接 127 個外部設備，并且不會損失帶寬。目前的主板一般都采用支持 USB 功能的控制芯片組，主板上也安裝有 USB 接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上還預留有 USB 插針，可以通過連線接到機箱前面作為前置 USB 接口以方便使用。 USB 具有傳輸速度快（ 是 12Mbps， 是 480Mbps, 是 5 Gbps），使用方便，支持熱插拔，連接靈活，獨立 供電等優(yōu)點，可以連接鼠標、鍵盤、打印機 等 。 第二代： 的最大傳輸速率高達 480Mbps。 第三代： 最大傳輸速率 5Gbps, 向下兼容 USB USB 接口設計必須具備的基礎知識 USB 基本結(jié)構(gòu) USB 是一種支持熱插拔的高速串行傳輸總線，它使用差分信號來傳輸數(shù)據(jù)，重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 10 最高速度可達 480Mb/S。在總線供電模式下，設備最多可以獲得 500mA 的電流。一條 USB 總線上，可達到的最高傳輸速度等級由該總線上最慢的 “設備 ”決定，該設備包括主機、 HUB 以及 USB 功能設備。其中主機是一個提供 USB接口及接口管理能力的硬件、軟件及固件的復合體，可以是 PC，也可以是 OTG 設備。在 USB 系統(tǒng)中，要求使用屏蔽的雙絞線。 USB 主機 USB 的所有數(shù)據(jù)通信（不論是上行通信還是下行通信）都由 USB 主機啟動，USB 主機在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中占 主導地位。USB 主機 分為 3 個不同的功能模塊：客戶軟件、 USB 系統(tǒng)軟件和 USB 總線接口。這里的 USB 總線接口指的是 USB 設備中的串行接口引擎（ SIE）； USB 邏輯設備被 USB 軟件看作是一個端點的集合；功能單元被客戶軟件看作是一個接口的集合。 USB 設備使用各種描述符來說明 其設備構(gòu)架，包括設備描述符、配置描述 符、接口描述符、端點描述符 、 字符串描述符 和管道 ，它們通常被保存在 USB 設備的固件程序中。數(shù)據(jù)傳輸通過一個差分雙絞線進行，這兩根線分別標為 D+和 D；另外兩根線 Vcc 和 GND，其中 Vcc向 USB 設備供電 。 A 型連接頭 B 型連接頭 1 2 3 4 1 2 4 3 圖 USB A、 B 型接口圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 12 USB 信號 數(shù)據(jù)在 USB 總線上實際傳輸時，使用的是 NRZI（反向不歸零）編碼的差分信號，這種信號有利于保證數(shù)據(jù)的完整性和消除噪聲干擾。差分信號技術最大的特點是：必須使用兩條線路才能表達一個比特位，用兩條線路傳輸信號的壓差作為判斷 1 還是 0 的依據(jù)。 傳輸結(jié)構(gòu)圖： 通信協(xié)議 USB 事務處理由一系列具有特定格式的信息包組成。 在低速、全速模式下，主機每間隔 1ms(這個 1ms稱為一幀 )發(fā)送一個幀開始令牌包 SOF(Start of Frame)。 包（ Packet）是 USB 系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締卧袛?shù)據(jù)都是經(jīng)過打包后在總線上傳輸?shù)摹? 基本包格式： 表 SYNC PID DATA CRC EOP NRZI編碼器 差分驅(qū)動器 NRZI解碼器 差分驅(qū)動器 D+ D 電纜段 圖 USB 通信線路示意圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 13 信息包格式 根據(jù)信息包所實現(xiàn)的功能，其可以分為 3 種類型：令牌包、數(shù)據(jù)包和握手包。 令牌包 在 USB 系統(tǒng)中，只有主機才發(fā)出令牌包 ，它是事務處理的第一階段。格式如下 ： 表 8 位 8 位 0～ 1023 字節(jié) 16 位 SYNC PID PID DATA CRC16 握手包 握手信息包是最簡單的信息包類型。格式如下： 表 8 位 8 位 SYNC PID PID 事務處理基本類型及 USB 傳輸類型 在 USB 上的數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過程為事務處理（ Transaction）。 USB 傳輸類型有 4 種： 批量 控制傳輸、實時傳輸、批量傳輸和中斷傳輸。 的 模塊的設計 模塊依靠片上 USB 設備控制器 (UDC20)和 USB 物理層接口 (UPHY)，支持 USB 全速和高速協(xié)議。兩個 64 字節(jié) 緩沖區(qū)分配給了物理端點1，該端點默認為控制端點。端點數(shù)據(jù)通過 IP FIFO 總線保存在 IQUE 模塊中 。這樣 PC上傳下來的數(shù)據(jù)將保存到該 QRAM中， CPU 要讀取數(shù)據(jù)，可以直接通過對 QRAM 相應地址讀數(shù)據(jù)即可。 具體硬件部分主要由核心處理單元 UF3 UF32 最小系統(tǒng)要求外圍時鐘、電源、復位、及調(diào)試接口，并且也引出了豐富的接口資源，可以供多 個外圍器件或設備與本系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。 時鐘模塊設計 22uC1C2EXT_5V12P1EXT_5V10uC410uC5C6VCC5V VCC3V3IN3OUT2GND1GND4U2LM1117ADJ123JP1POWEREXT_5VUSB5V圖 電源模塊電路圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 16 10KR751R8C9RESETVCC5VRSTUF32 第 8 85 腳 (XTAL、 EXTAL)之間的電路為晶振電路，晶振頻率大小為 12MHz。 同時，為系統(tǒng)可以工作于其他頻率模式，特別在電路圖中增加了用戶選用晶振，該晶振為有源晶振，頻率大小可以自己按需要選定。該電路實現(xiàn)比較簡單，只需選擇合適的上拉電阻和濾波電容即可。 USB 接口模塊設計 系統(tǒng)中使用的 USB 口為標準 B 型 USB 連接頭，方口中的 1 腳為電源、 2腳為D數(shù)據(jù)線、 3 腳 D+數(shù)據(jù)線、 4 腳為地。其中高速模式下使用的是DPH 和 DMH，其它兩個引腳用來終止 D+信號。 12Y112M22pC722pC81MR6NC1GND2OUT3VCC4U150MVCC5VC322R1圖 復位模塊電路圖 圖 時鐘模塊電路圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 17 510R4330R5VCC5VVCC3V3330R3LED1330R2LED0VCC3V3LED0LED1LED5VLED3V3X1Y2BNC50R1612345678910111213141516P2Header 8X2AIOC0IOC1IOC2IOC3IOC4IOC5IOC6IOC7510R4330R5VCC5VVCC3V3330R3LED1330R2LED0VCC3V3LED0LED1LED5VLED3V3 狀態(tài)顯示模塊設計 狀態(tài)由 4 個 LED 燈組成，它們包括一個 5V 電源指示燈，一個 電源指示燈，兩個作運行和調(diào)試指示燈。 10R1233R1333R1410R18DMHDMFDPFDPH1234CON1USBBUSB5VUSB_DUSB_D+GNDUSB_DUSB_D+圖 USB 接口模塊電路圖 圖 狀態(tài)顯示模塊電路圖 圖 BNC 輸出模塊電路圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 18 調(diào)試接口模塊設計 BDM 是飛思卡爾單片機有別于其他單片機的一種叫背景調(diào)試 (Backgroud Debug)接口，它支持開發(fā)軟件對硬件系統(tǒng)的在線調(diào)試與仿真。 PCB 設計及版圖設計簡要說明 版圖設計說明 硬件板卡設計使用 Protel DXP 先進行原理圖設計，然后通過建庫及導入，之后完成器件的布局布線工作。 在最右邊引出了與普通開發(fā)板相似的萬能板插口，允許外部接入雙列直插式芯片和引腳式電器元件。 在 PCB 設計中，布局布線是一個需要特別注意的環(huán)節(jié)。因為一個設計的版圖電磁兼容性的好壞有時不但會影響系統(tǒng)的運行效果，更有可能會直接致使系統(tǒng)無法工作。當然，這也是 允許的。 2. 電源芯片遠離核心信號部分，遠離核心處理芯片。并且時鐘線最好有地包裹。 5. UF32 要遵循官方 PCB 布局布線要求。 7. 線寬大于 8mil,并要求走線不宜太長，保證信號完整性要求。 版圖 板尺寸： x mm 板 層： 雙層板，表面敷銅 圖 PCB 頂層圖 圖 PCB 底層層圖 重慶工商職業(yè)學院 基于單片機 PC 程控脈沖信號發(fā)生器設計 畢業(yè)設計說明書 20 第五章 系統(tǒng)設計軟件實現(xiàn)與調(diào)試 引言 MCU 端程序包括三大主要模塊，它們分別為： MCU 初始程序，脈沖產(chǎn)生處理程序和 USB 模塊接收程序。并通過相互間數(shù)據(jù)的收發(fā)，完成把最終數(shù)據(jù)傳遞給輸出處理模塊，該模塊再將發(fā)來的數(shù)據(jù)或命令解析、執(zhí)行 ,從而完成規(guī)定的任務。 進行堆棧初始化和寄存器初始化，以完成程序要執(zhí)行的最基本的條件。 選擇系統(tǒng)時鐘和總線時鐘設置。 MCU 初始化完