【正文】 .................................................... 10 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成框圖 ........................................................................ 12 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)............................................................................... 13 圖 AT89C51 引腳圖 ............................................................................................. 15 圖 PDIUSBD12 內(nèi)部結(jié)構(gòu) .................................................................................... 16 ADC0809與89C51的接口電路 ....................................................................... 18 PDIUSBD12 與 89C51的連接電路 ................................................................. 19 圖 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖 ...................................................................................... 20 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)固件結(jié)構(gòu) ................................................................................ 22 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的固件結(jié)構(gòu) ............................................................................ 23 圖 內(nèi)部中斷程序流程圖...................................................................................... 26 主循環(huán)流程 ................................................................................................. 27 應(yīng)用程序流程圖 ...................................................................................... 29 XX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） VII表格清單表 USB 使用分類表 ....................................................................................... 3表 SETUP 包格式 ..................................................................................... 11 表 通道選擇表 ..................................................................................... .. 13 基于單片機(jī)和 USB 接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) VIII 安徽工程大學(xué)畢業(yè)論文 1 引 言在石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領(lǐng)域中，都必須進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集。然而外界的大部分信息是以連續(xù)變化的物理量形式出現(xiàn)的，例如溫度，壓力，速度等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與外部世界聯(lián)系的橋梁。USB 是一種 IT 行業(yè)新發(fā)展起來(lái)的通用接口標(biāo)準(zhǔn)，目前很多應(yīng)用主要集中在 PC 機(jī)的外設(shè)和一些消費(fèi)類電子上。特別是由于USB 的使用簡(jiǎn)單、即插即用、熱插拔、開放性、高速、穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，它特別適用于儀器儀表、虛擬儀器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和加密設(shè)備等等場(chǎng)合。系統(tǒng)以 AT89C51 單片機(jī)為核心，集成電路全部采用 CMOS 器件。由于采用 16 位的 AD0809，精度高，能夠滿足測(cè)量要求。這種單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)克服了精度低、滯差大、走時(shí)短等缺點(diǎn)，并且功耗低、性能可靠，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，有著非常廣的應(yīng)用空間。 USB作為一種新型的串口通信標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的傳輸速率，可擴(kuò)展性好，采用總線供電，使用靈活。信息技術(shù)與電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備也得到飛速發(fā)展和應(yīng)用。USB通訊技術(shù)的出現(xiàn)，使高傳輸速度、強(qiáng)糾錯(cuò)能力、易擴(kuò)展性、方便的即插即用，有機(jī)的結(jié)合在一起。驅(qū)動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)與Windows系統(tǒng)底層核心機(jī)制相交互的功能 課題的研究意義與現(xiàn)狀盡管RS232是一種十分成熟且應(yīng)用廣泛的通訊方式，但是隨著控制系統(tǒng)的日益復(fù)雜，所要采集的量也會(huì)越來(lái)越多。USB 技術(shù)雖然出現(xiàn)的時(shí)間并不長(zhǎng)，但是由于它的種種優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的廠商和用戶所接受，出現(xiàn)了USB 打印機(jī)、攝像頭等產(chǎn)品。采用PDIUSBD12芯片和89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)的基于USB 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有可靠性高、數(shù)據(jù)不丟失、抗干擾性強(qiáng)、便于數(shù)據(jù)傳輸和處理等優(yōu)點(diǎn)，可在信號(hào)測(cè)試、信號(hào)采集場(chǎng)合廣泛使用。下面對(duì) USB 的性能做簡(jiǎn)單的介紹。現(xiàn)在生產(chǎn)的 PC機(jī)幾乎都配備了，USB 接口，Microsoft的windows98， NT以及MacOS， Linux， FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對(duì)USB 的支持。USB 有全速和低速兩種方式，主模式為全速模式，速率為12Mbps，從而使一些要求高速數(shù)據(jù)的外設(shè)，如：高速硬盤、攝像頭等，都能統(tǒng)一到同一個(gè)總線框架下。新推出的。 所有的USB 設(shè)備可以隨時(shí)的插入和拔離系統(tǒng)，USB 主機(jī)能夠動(dòng)態(tài)的識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)，并自動(dòng)給接入的設(shè)備分配地址和配置參數(shù)，添加、刪除設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)，也不必像過(guò)去那樣需要手動(dòng)跳線和撥碼開關(guān)來(lái)設(shè)置新的外設(shè)。USB使用的是一種易于擴(kuò)展的樹狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用USB Hub擴(kuò)展可連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。通過(guò)Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30米。 USB共有4種傳輸模式：控制傳輸(control)，同步傳輸(synchronization)、中斷傳輸 (interrupt)、批量傳輸(bulk)，適應(yīng)不同設(shè)備的需要。 普通使用串口、并口的設(shè)備都需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)，而USB設(shè)備則不需要，因?yàn)?USB接口提供了內(nèi)置電源 eUSB電源能向低壓設(shè)備提供最大5V， 500mA 的電源，從而降低了這些設(shè)備的成本并提高了性價(jià)比。 USB對(duì)系統(tǒng)與PC 的集成進(jìn)行了優(yōu)化，適合于開發(fā)低成本的外設(shè)。很方便地就能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高可靠性、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，適用于對(duì)瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集和處理 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 本論文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在單片機(jī) 89C51 控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)PHILIPS 公司的 USB 接口芯片 PDIUSBD12 上傳給 PC 機(jī)進(jìn)行分析、顯示和存盤。硬件設(shè)計(jì)主要解決的是 D12 與單片機(jī)的接口電路的設(shè)計(jì)。 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖所示：MCUU S B接口芯片P C機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器多路模擬開關(guān)安徽工程大學(xué)畢業(yè)論文 5 第 2 章 USB 協(xié)議簡(jiǎn)介 USB 傳輸要件設(shè)備端點(diǎn)端點(diǎn)是可唯一識(shí)別的 USB 設(shè)備的一部分，它是主機(jī)與設(shè)備間通信流的一個(gè)結(jié)束點(diǎn)。每個(gè)邏輯設(shè)備有一個(gè)唯一的地址，這個(gè)地址是在設(shè)備連上主機(jī)時(shí)由主機(jī)分配的，而設(shè)備中的每個(gè)端點(diǎn)在設(shè)備內(nèi)部有唯一的端點(diǎn)號(hào)。每個(gè)端點(diǎn)都是一個(gè)簡(jiǎn)單的連接點(diǎn)，或者支持?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)設(shè)備，或者支持其流出設(shè)備，兩者不可兼得。所有 USB 設(shè)備都需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)缺省的控制方法。USB 系統(tǒng)用這個(gè)缺省方法初始化。除缺省控制通道的缺省端點(diǎn)外，其他端點(diǎn)只有在設(shè)備被設(shè)置后才可使用。USB 有兩個(gè)不同且互斥的通道通信格式：? 流：指不具有 USB 定義的格式的數(shù)據(jù)流。USB 不解釋在通道中傳送的數(shù)據(jù)的內(nèi)容。同步字段作為空閑狀態(tài)出現(xiàn)在總線上，通過(guò)被定義為 8 位長(zhǎng)的二進(jìn)制串，輸入電路以本地時(shí)鐘對(duì)齊輸入數(shù)據(jù)。如圖 所示，PID 由 4 位的包類型字段和其后的 4 位的校驗(yàn)字段構(gòu)成。PID 的 4 位的校驗(yàn)字段可以保證 PID 譯碼的可靠性，這樣包的余項(xiàng)也就能被正確地解釋。如果 4 個(gè) PID 檢驗(yàn)位不是它們的各自的包標(biāo)識(shí)符位的補(bǔ)，則說(shuō)明存在PID 錯(cuò)。下面分別介紹一下 4 種 USB 傳輸類型的傳輸結(jié)構(gòu)：控制傳輸控制傳輸用于在設(shè)備初次連接時(shí)對(duì)器件進(jìn)行配置，以及對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，還有在設(shè)備配置完成后用于特殊傳輸目的。每一個(gè)控制傳輸都必須有設(shè)置與狀態(tài)階段，數(shù)據(jù)階段則是選擇性的。所有的數(shù)據(jù)階段里的事務(wù)都必須有相同的方向（即全部輸入或全部輸出） 。如果數(shù)據(jù)的數(shù)量超過(guò)了先前確定的數(shù)據(jù)包的大小，數(shù)據(jù)在支持最大的包大小的多個(gè)事務(wù)中被發(fā)送（輸入或輸出） 。批量傳輸批量傳輸包含一個(gè)或者多個(gè)傳輸事務(wù)，其傳輸是單方向的，即所有的事務(wù)都必須是輸入或輸出事務(wù)。批量傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖 所示：空閑I NA C KD A T A 0 /D A T A 1D A T A 0 /D A T A 1O U T空閑N A K S T A L L標(biāo)記數(shù)據(jù)空閑A C KN A K S T A L L握手?jǐn)?shù)據(jù)出錯(cuò)數(shù)據(jù)出錯(cuò)主機(jī) 功能部件圖 批量傳輸結(jié)構(gòu)示意圖中斷傳輸中斷傳輸適用于小批量的、點(diǎn)式、非連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的場(chǎng)合。中斷傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖 所示：趙瓊：基于單片機(jī)和 USB 接口的數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 空閑I NA C KD A T A 0 /D A T A 1D A T A 0 /D A T A 1O U T空閑N A K S T A L L標(biāo)記數(shù)據(jù)空閑A C KN A K S T A L L握手?jǐn)?shù)據(jù)出錯(cuò)數(shù)據(jù)出錯(cuò)主機(jī) 功能部件圖 中斷傳輸結(jié)構(gòu)示意圖同步傳輸同步傳輸?shù)囊饬x在于每一個(gè)幀或者微幀內(nèi)必須傳輸固定數(shù)目的字節(jié)數(shù)據(jù)，它適用于固定速度或者特定時(shí)間的傳輸。同步傳輸?shù)膫鬏斀Y(jié)構(gòu)如圖 所示：I N O U TD A T A 0 / D A T A 0標(biāo)記數(shù)據(jù)空閑空閑圖 同步傳輸結(jié)構(gòu)示意圖 USB 總線枚舉過(guò)程USB 規(guī)范定義的設(shè)備狀態(tài)總共有 6 個(gè)，分別是連接（Attached） 、上電（Powered） 、默認(rèn)（Default ） 、地址（Address） 、配置（Configured）和掛起（Suspend） 。USB 集線器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)設(shè)備的連接情況，而 USB 主機(jī)會(huì)通過(guò)集線器輪詢地查詢?cè)O(shè)備。之后，主機(jī)會(huì)通過(guò)此通道向設(shè)備發(fā)送一系列的標(biāo)準(zhǔn) USB 請(qǐng)求以獲取所需的信息，設(shè)備必須響應(yīng)這些請(qǐng)求并且采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作?？偩€枚舉的過(guò)程如下：① 設(shè)備連接USB 設(shè)備通過(guò) USB 總線與主機(jī)相連。③ 主機(jī)檢測(cè)到設(shè)備，進(jìn)行復(fù)位設(shè)備連接到總線后，主機(jī)通過(guò)檢測(cè)設(shè)備在差分信號(hào)線的上拉電阻檢測(cè)到有新的設(shè)備連接，并獲釋該設(shè)備是全速設(shè)備還是低速設(shè)備，如果上拉電阻與 D+線相連，則為全速設(shè)備，如果上拉電阻與 D－線相連，則為低速設(shè)備，主機(jī)確認(rèn)有設(shè)備連接后，向該端口發(fā)送一個(gè)復(fù)位信號(hào)。⑤ 地址分配當(dāng)主機(jī)接收到有設(shè)備對(duì)默認(rèn)地址（00H）來(lái)響應(yīng)的時(shí)候，就確認(rèn)有設(shè)備連接，主機(jī)對(duì)設(shè)備分配一個(gè)空閑的地址（如 02H） ，以后設(shè)備就只對(duì) 02H 地址進(jìn)行響應(yīng)。⑦ 設(shè)備配置主機(jī)依照讀取的 USB 設(shè)備描述符來(lái)進(jìn)行配置，如果設(shè)備所需的 USB 資源得以滿足，主機(jī)就會(huì)查找驅(qū)動(dòng)，當(dāng)正確找到驅(qū)動(dòng)后，主機(jī)給設(shè)備發(fā)送配置命令，配置完畢后，這個(gè) USB 設(shè)備就枚舉成功了。A 。不同的描述符從不同的層級(jí)來(lái)表示設(shè)備的屬性。但每一個(gè)設(shè)備可以有幾個(gè)配置描述符，它包含了電源管理信息以及所支持的接口號(hào)碼。各個(gè)描述符的樹狀結(jié)構(gòu)如圖 所示：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(diǎn)描述符接口描述符端點(diǎn)描述符端點(diǎn)描述符端點(diǎn)描述符端點(diǎn)描述符端點(diǎn)描述符圖 描述符的樹狀結(jié)構(gòu)設(shè)備描述符描述了一個(gè) USB 設(shè)備的總體信息，它在枚舉過(guò)程中主機(jī)從設(shè)備讀取的第一個(gè)描述符。配置、接口以及端點(diǎn)描述符是在主機(jī)得到設(shè)備描述符之后發(fā)送給主機(jī)的。當(dāng)主機(jī)請(qǐng)求獲取一個(gè)配置描述符的時(shí)候，與配置描述符相關(guān)的所有接口、端點(diǎn)描述符都會(huì)一并返回。接口描述符描述了一個(gè)配置中的特定接口。接口描述符由 9個(gè)字節(jié)組成，分為 9 個(gè)字段。除了端點(diǎn) 0 外，一個(gè)接口所使用的每一個(gè)端點(diǎn)都有它自己的描述符。端點(diǎn)描述符由 7 個(gè)字節(jié)組成，分為 6 個(gè)字段。USB 規(guī)范定義了 11 種標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，所有設(shè)備都必須對(duì)這 11 種請(qǐng)求作出響應(yīng)，即使當(dāng)主機(jī)沒有給設(shè)備分配一個(gè)地址或者沒有配置設(shè)備。但是只有類請(qǐng)求是不能滿足眾多 USB 廠商的需求的，