【正文】 USB驅(qū)動程序 12 應(yīng)用程序的設(shè)計 15第5章 結(jié)論和展望 17 結(jié)論 17 進一步工作方向 17致謝 28參考文獻 29第1章 引言 課題背景隨著社會的發(fā)展，科技的進步，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要用到PC機或工控機對一些數(shù)據(jù)量(如液位、溫度、壓力、頻率、位移)進行實時的檢測和處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是是對各種微弱信號的的采集、然后經(jīng)過濾波電路、放大電路處理，將處理后的信號傳送到ADC，最后通過計算機接口總線將處理后的數(shù)字信號送入計算機作進一步的研究分析與處理處理。 課題的提出傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備與主機的通訊口一般采用RS23RS422或RS485等標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)今的設(shè)備通訊口大多采用USB標(biāo)準(zhǔn)。近年來，USB幾乎已經(jīng)取代了上述其它標(biāo)準(zhǔn)。（2）易于擴展，標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長度為3m(低速時5m)，通過Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達到30m。（3）數(shù)據(jù)傳輸速度快，,比串口快了整整100倍；基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以適合不同場合的數(shù)據(jù)采集。（4）設(shè)備能夠直接由USB總線進行供電。外設(shè)設(shè)備可以直接通用USB電纜來獲取電源，對于功耗較小的設(shè)備來說這是非常有效的。USB總線從誕生之日起即引發(fā)了一場產(chǎn)業(yè)革命。USB總線接口已經(jīng)成為當(dāng)今個人電腦和大量智能設(shè)備的必配的接口之一。可以預(yù)見，USB接口的應(yīng)用肯定會越來越廣泛，其傳輸速率也會越來越高。在工業(yè)控制相關(guān)領(lǐng)域，USB接口技術(shù)的應(yīng)用也得到快速發(fā)展，許多實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、測控儀、多道分析器等產(chǎn)品都采用了USB接口技術(shù)。隨著科技水平的快速發(fā)展國內(nèi)企業(yè)推出了不同精度的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的產(chǎn)品。隨著USB總線的廣泛應(yīng)用，目前，國外有許多企業(yè)己經(jīng)成功的推出了基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系列的產(chǎn)品，它們能適應(yīng)各種不同的環(huán)境，各種不同精度要求的。NI公司針對系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用項目，提供了三大平臺：PXI、CompactDAQ以及CompactRIO平臺。其中CompactDAQ平臺提供了即插即用的USB連接，只需要一個USB數(shù)據(jù)線，就可以方便與計算機連接在一起?？梢詫崿F(xiàn)數(shù)據(jù)記錄便于分析采集到數(shù)據(jù)結(jié)果，并將輸出結(jié)果導(dǎo)入諸如Microsoft Excel的電子數(shù)據(jù)表程序。目前，國內(nèi)外有許多生產(chǎn)廠家都為基于USB接口的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的研發(fā)提供了軟件和硬件的支持，為我們自己開發(fā)產(chǎn)品提供大量的參考程序，使我們的開發(fā)產(chǎn)品周期縮短，開發(fā)的難度降低，提高了開發(fā)效率和質(zhì)量?？傮w來看，現(xiàn)在國內(nèi)有許多的廠家對USB接口的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的開發(fā)和研制已經(jīng)取得了一定的成果，但是與國外相比，在產(chǎn)品的應(yīng)用范圍和研發(fā)的深度存在著一定的差距。隨著計算機對USB接口的普及和實際應(yīng)用中對數(shù)據(jù)采集的要求都有所提高，因此，以及數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域內(nèi)先進產(chǎn)品的國產(chǎn)化等都成為了急切需要解決的問題。主要需要完成的要求（1） 8路10位A/D輸入，最高100kHZ采樣速率；（2） 05V、420mA等通用輸入接口；（3）8路I/O（4輸入4輸出）；（4）動態(tài)圖形顯示、記錄。第2章USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計基于C8051F340單片機的USB接口便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計主要包括四個方面的工作：硬件設(shè)計、firmware(固件)設(shè)計、設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計以及應(yīng)用軟件的設(shè)計。 硬件設(shè)計 C8051F340簡介基于USB總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成主要是C8051F系列單片機（）是美國Cygnal公司生產(chǎn)的、與標(biāo)準(zhǔn)51系列完全兼容的混合信號系統(tǒng)級芯片，該芯片內(nèi)部集成了許多功能部件。CIP51與MCS51TM指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。合理地解決了數(shù)據(jù)傳輸問題，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。由于系統(tǒng)的高度集成，在實現(xiàn)功能的前提下，整個一起可以設(shè)計的非常小巧。在一個標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為1224MHz。C8051F340有多達9個復(fù)位源：上電復(fù)位電路（POR）、片內(nèi)VDD監(jiān)視器（當(dāng)電源電壓低于VRST時強制復(fù)位）、USB控制器（USB總線復(fù)位或VBUS狀態(tài)變化）、看門狗定時器、時鐘丟失檢測器、由比較器0提供的電壓檢測器、軟件強制復(fù)位、外部復(fù)位輸入引腳和FLASH讀/寫錯誤保護電路復(fù)位。在一次上電復(fù)位之后的MCU初始化期間，WDT可以被永久性使能。%。內(nèi)部振蕩器還被用作低速方式下的USB時鐘源。器件內(nèi)集成了一個低頻振蕩器，可以在功耗關(guān)鍵的應(yīng)用中使用。系統(tǒng)時鐘可以被配置為使用內(nèi)部振蕩器、外部振蕩器或時鐘乘法器輸出二分頻。低頻內(nèi)部振蕩器或外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節(jié)電）的時鐘源運行，當(dāng)需要時再周期性地切換到高速時鐘源。A( CPU時鐘為24MHz，USB時鐘為48MHz時)，或9mA （CPU時鐘為12MHz, USB時鐘為6 MHz時）；內(nèi)部晶振頻率：。為了擴展其用途，還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字I/O端口。因為C8051F340是帶USB接口的單片機，所以整個硬件部分是一般單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，僅需要外加輸入信號處理電路就可實現(xiàn)。其中，在元器件選擇和方案設(shè)計過程中應(yīng)遵循以下原則：(1) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在滿足需要的前提下，選擇低功耗、小體積的元器件，以延長使用時間、縮小儀器的體積。(2) 設(shè)計中應(yīng)預(yù)留進一步開發(fā)的空間。 系統(tǒng)原理圖另外，我們將USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計為一個可通過USB電纜自供電而不靠外界供電的自供電設(shè)備。為實現(xiàn)自供電方式，我們只需停止外部電源的輸入，連上跳線的兩個引腳。將串行適配器EC2通過該接口連接到C8051F340,可實現(xiàn)在線調(diào)試和FLASH編程的寫入和擦除。USB(通用串行總線)連接器。我們將USB電纜的一端接上這個連接器，另一端接在計算機的USB通訊口上。 主要的電路元器件圖第3章USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的固件設(shè)計開發(fā)一個USB設(shè)備，軟件設(shè)計是必不可少的。單片機固件響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理工作；而客戶驅(qū)動程序則讓主機可以識別USB設(shè)備，并通過應(yīng)用軟件來讀取USB設(shè)備，完成通信功能。固件編程是USB設(shè)備開發(fā)過程里的主要工作。根據(jù)設(shè)備的功能分類完成各種數(shù)據(jù)交換請求。初始化后，USB設(shè)備可隨時插入主機中，主機將遵循USB協(xié)議對設(shè)備進行識別和初始化。這一章描述了基于C8051F340的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的固件開發(fā)，這里主要說明開發(fā)的步驟和流程圖，并輔以相應(yīng)的代碼段。 固件的開發(fā)環(huán)境Keil uVision2是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣泛的單片機軟件系統(tǒng)開發(fā)工具，它支持匯編、C語言以及混合編程，同時具備強大的軟件仿真和硬件仿真功能。Keil uVision2軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。C51編譯器的擴展內(nèi)同包括：數(shù)據(jù)類型、指針、重入函數(shù)、中斷服務(wù)程序。通過開發(fā)套件提供的USBXpress庫，我們得以大大簡化了USB固件程序和PC機端驅(qū)動程序的開發(fā)。USBXpress提供了10個USB器件API函數(shù)，如表1所示。因為這些函數(shù)中已經(jīng)實現(xiàn)了各種細節(jié)性的問題，我們只需要像調(diào)用一個接口一個調(diào)用這些函數(shù)就可以很方便地實現(xiàn)這些函數(shù)的功能。 單片機與PC機的USB通信原理框圖大多數(shù)情況下，C8051F340單片機的上層應(yīng)用程序通過調(diào)用USBXpress提供的USB器件API函數(shù)，就可以很方便地訪問下層的USB硬件。進入USB中斷后，程序調(diào)用Get_Interrupt_Source()函數(shù)獲得U