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基于usb總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文-在線瀏覽

2024-09-12 09:37本頁面
  

【正文】 ..... 38 附錄 A ...................................................................................................................................... 39 附錄 B ...................................................................................................................................... 40 參考文獻 .................................................................................................................................. 52 致謝 .......................................................................................................................................... 54 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書(畢業(yè) 論文 ) 第一章 引 言 在工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)研究的各行業(yè)中,常常要利用 PC 或工控機對各種數(shù)據(jù)進行采集,如液位、溫度、壓力、頻率等 ,而數(shù)據(jù)采集必須用到數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 。采用采集卡不僅安裝麻煩、易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾,而且由于受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制,不可能掛接很多設(shè)備。 這一章我將簡單介紹數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)、新技術(shù) USB 的出現(xiàn)對其的影響,同時引出本文的標題《 基于 USB 總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 的設(shè)計》。在生產(chǎn)工程中,應用這一系 統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進行采集、監(jiān)視和記錄,為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。總之,不論在哪個應用領(lǐng)域中,數(shù)據(jù)采集與處理越及時,工作效率就越高,取得的經(jīng)濟效益就越大。 數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)性能的好壞,主要取決于它的精度和速度。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書(畢業(yè) 論文 ) 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高。 現(xiàn)在常用的數(shù)據(jù) 通信 裝置一般多是通過 ISA或是 PCI 等內(nèi)置式接口實現(xiàn) PC機與外圍系統(tǒng)之間的通信。此外,計算機主板上的插 槽個數(shù)是有限的,加上儀器電路插卡的安裝 (必須斷電、打開機箱操作 )很不方便。這些弱點使得他們的應用受到了很大的局限。對于需要野外作業(yè)的場合,經(jīng)常使用便攜式的 通信 設(shè)備,將采集到的數(shù)據(jù)存儲在設(shè)備中,帶回室內(nèi)再將它送給計算機進行分析處理 :或是采用專門的利用筆記本的電腦實現(xiàn)的采集器。它使用一個4 針插頭作為標準插頭,通過這個標準插頭,采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來,并且不會損失帶寬。 USB 總線是一個星型總線結(jié)構(gòu),它相對于以往的計算機外設(shè)總線如 RS23 RS485等具有以下優(yōu)點。 協(xié)議規(guī)定了 兩種速度 :低速 、高速 12Mbps,現(xiàn)有的 傳輸速率己經(jīng)高達 480Mbps,折合約 60MB/s 的峰值傳輸速率。在 USB 方式下,允許外設(shè)熱插拔,不必關(guān)閉主機電源,用戶不內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書(畢業(yè) 論文 ) 必參與設(shè)備安裝過程。通過這種類似菊花鏈式的連接,一個 USB 控制器可以連接多達 127 個外設(shè),而每個外設(shè)間距離 (線纜長度 )可達 5 米。 普通的使用串口的、并口的設(shè)備都需要單獨的供電系統(tǒng),而 USB 設(shè)備提供總線供電和自供電兩種方式。 (4)抗干擾性強。如在電磁干擾比較嚴重的環(huán)境下,可以很容易設(shè)計屏蔽方案。 USB 口單獨使用自己的保留中斷,不會同其它設(shè)備爭用 PC 機有限的資源,同樣為用 戶省去了硬件配置的煩惱。 國內(nèi)外現(xiàn)狀及研究目的 數(shù)字 通信 和處理技術(shù)的發(fā)展日新月異,隨著集成電路技術(shù)和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展和解決復雜問題能力的不斷提高,數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)的概念和內(nèi)涵也在不斷地調(diào)整,從最初單純的采集,到現(xiàn)在包括高速、復雜的運算和信號處理,可擴展性和易用性的提高。 USB 技術(shù)一出現(xiàn),人們就逐漸將其應用到了工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)中。 目前, USB 數(shù)據(jù)采集技術(shù)在國外已處于高速發(fā)展階段。從事 USB 數(shù)據(jù)采集器開發(fā)的企業(yè)公司內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書(畢業(yè) 論文 ) 也很多,他們投入市場上的產(chǎn)品得到了廣大用戶的認可,主要產(chǎn)品有 DATX 公司的DT9800 系列產(chǎn)品,美國 Ocean Optics 公司的 ADC1000USB 等。 《基于 USB 總線的 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 的設(shè)計》就是在這樣的背景提出來的,課題項目的研究 目的就是充分認識 USB 總線技術(shù),并利用其優(yōu)點來有效地解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)的缺陷,參考市場情況和智能儀器的設(shè)計要求,設(shè)計出一種較傳統(tǒng)方式更有效、更經(jīng)濟、點數(shù)更多的實時數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)。 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 對于任何一個數(shù)據(jù) 通信 系統(tǒng)來說,其設(shè)計的主要工作是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇、進行硬件和軟件的功能合理分配。 (2)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行合理的選擇,其中包括硬件、軟件功能的合理分配,系統(tǒng)采用何種布局和接口方式 。 (4)保證在規(guī)定的工作環(huán)境下,系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠地工作 。 USB 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分的總體設(shè)計首先應選好系統(tǒng)的中央處理系統(tǒng)CPU,然后在其基礎(chǔ)上擴展,選擇其他的元器件,設(shè)計出與其相配套的電路部分,經(jīng)調(diào)試后組成硬件 系統(tǒng)。 (2)電路設(shè)計力求簡潔、可靠,盡量采用集成度高的芯片,減少外圍元器件的數(shù)量。 (4)適當?shù)膬r格,包括元器件價格和開發(fā)系統(tǒng)的一次性投資,降低成本。本設(shè)計選用 Silicon Laboratories 公司的高性能微控制器芯片 C8051F320,簡化了硬件部分 的設(shè)計。這在一定層次上縮小了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積,并降低了成本。 M C U 8 0 5 1 內(nèi) 核輸入數(shù)據(jù)C 8 0 5 1 F 3 2 0 U S B 電 纜U S B 控 制 器及 接 口P C 機 或筆 記 本 電 腦 圖 系統(tǒng)框圖 軟件系統(tǒng)的構(gòu)成 開發(fā)一個 USB 設(shè)備,軟件設(shè)計是必不可少的。單片機固件則響應各種來自系統(tǒng)的 USB 標準請求,完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理 。主機應用軟件通過客戶驅(qū)動程序與系統(tǒng) USBI(USB Device Interface)進行通信,由系統(tǒng)產(chǎn)生 USB 數(shù)據(jù)的傳送動作,可用 Visual Basic、 visua1C++或 Delphi等軟件來開發(fā)并生成采集應用軟件及其相關(guān)使用說明,方便用戶快捷地使用本數(shù)據(jù) 通信系統(tǒng)。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書(畢業(yè) 論文 ) 應 用程 序驅(qū) 動程 序固 件程 序硬 件層 圖 軟件系統(tǒng)組成 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標 該 基于 USB 總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 的基本性能指標確定如下 : (1)接口方式 :USB 總線 (支持 接口標準,可熱拔插、即插即用 ); (2)輸入通道 :17 個通道 (11 個單端輸入通道和 6 個雙端輸入通道 ); (3)測量信號 :工業(yè)現(xiàn)場各類傳感器的輸出電壓和電流信號 ; (4)量程 :0V~5V, 0V~10V,士 5V,士 10V, 4mA~20mA; (5)每通道最高采樣頻率 100Ksps; (6)A/D 分辨率 :10Bit; (7)觸發(fā)方式 :定時器觸發(fā),軟件觸發(fā) ; (8)FIFO 存儲器 :3KB。其與 上位計算機的數(shù)據(jù)傳輸是采用帶 接口的單片機作為接收控制板的核心芯片,以解決當前筆記 本電腦不提供 RS232 接口的問題。 系統(tǒng)框圖如圖 所示。 C8051F 系列單片機具有與 MCS51 內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器,除了具有標準 8051 的數(shù)字外設(shè)部件之外,片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。所有器件都有內(nèi)置的 FLASH 存儲器和 256 字節(jié)的內(nèi)部 RAM,有些器件還可以訪問外部數(shù)據(jù)存儲器 RAM,即 XRAM。另外,它的內(nèi)部還集成有 1kbyte 的 USBSRAM 和 USB 收發(fā)器。 ● USB 功能控制模塊 滿足 協(xié)議:可在全速 (12Mbps)或低速 ()下運行;集成有一個時 鐘恢復源,對于全速或低速傳輸均可不用外部晶振;支持 8 個靈活通用的端點;內(nèi)置一個 IK 的 USB 專用緩沖存儲器;集成了一個 USB 接收器,不需要外部電阻。 ●工作溫度范圍: 0℃ 0℃ ● 高速 8051 微控制器內(nèi)核 采用流水線指令結(jié)構(gòu) ,其 70%的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期;速度可達 25MIPS(時鐘頻率為 25MHZ 時 )。 ● 數(shù)字外設(shè) 25 個字節(jié)寬的端點 I/O;所有口線均耐 5V 電壓;可同時使用 UART 串口、硬件SMBusTM、 SPITM;帶有 4 個可編程的 16 位技術(shù)器 /定時器陣列;帶有 5 個捕捉 /比較模塊的通用 16 位計數(shù)器 /定時器。 ● 供電電壓 片上的參考電源校準器支持 USB 總線電源操作;校準器的 Bypass 模式支持 USB內(nèi)部電源操作。 傳統(tǒng)的單片機 I/O 端口大都是固定為某個特殊功能的輸入 /輸出口,可以是單功能或多功能, I/O 端口可編程選擇為單向 /雙向以及上拉、開漏 等。 C8051F320 采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實現(xiàn) I/O 端口的靈活配置,如圖 所示。內(nèi)有輸入 /輸出的電路單元通過相應的配置寄存器控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。在這個系統(tǒng)中,片內(nèi)設(shè)置有一個可 編程的時鐘振蕩器 (無需外部器件 ),可提供 8 和 16MHz 時鐘的編程設(shè)定。當程序運行時,可實現(xiàn)內(nèi)外時鐘的動態(tài)切換。 控 制 寄 存 器內(nèi) 部 時 鐘可 編 程系 統(tǒng) 時 鐘時 鐘輸 入時 鐘振 蕩 器控 制 寄 存 器C 8 0 5 1外 部 和 時 鐘晶 體R CC時 鐘 源 圖 C8051F320 的時鐘系統(tǒng) 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書(畢業(yè) 論文 ) C8051F320 在 8 位單片機中率先配置了標準的 EC2 接口 ()。 C8051F 的 EC2 接口不僅支持 FlashROM 的讀 /寫操作及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試,還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。 C805lF320 把 8051 單一的外部復位發(fā)展成多源復位:上電復位、掉電復位、外部引腳復位、軟件復位、時鐘檢測復位、比較器 0 復位和引腳配置復位。 (3)引腳及封裝 圖 C8051F320 的封裝 具體引腳如圖 所示: VDD—— 數(shù)字電源; GND—— 模擬 地; REGIN—— 5V 校準器的輸入端; 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書(畢業(yè) 論文 ) /RST/C2CK—— 設(shè)備的復位引腳或 EC2 調(diào)試接口的時鐘信號; —— 端口 或 EC2 調(diào)試接口的雙向信號引腳; VBUS—— USB 總線輸入腳; D+—— USB 的 D+; D—— USB 的 D; —— 端口 或外部晶振輸入; —— 端口 或外部晶振輸出; — 端口 或 ADC0 外部轉(zhuǎn)換開始輸入腳; — 端口 或外部參考電源的輸入端或輸出端; 、 、 、 、 ~、 ~ 均為相應的端口引腳。 系統(tǒng)與主機連接的設(shè)計 USB 傳送信號和電源是通過一種四線的電纜,圖 的兩根線是用于發(fā)送信號。 VBUS 使用 +5V 電源。通過選擇合 適的導線長度以匹配指定的 IR drop內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書(畢業(yè) 論文 ) 和其它一些特性,如設(shè)備能源預算和電纜適應度。在每個端口都可檢測終端是否連接或分離,并區(qū)分出高速,或低速設(shè)備。 USB 總線支持低速、全速、高速三種傳輸速率,并且支持控制傳輸、批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸四 種傳輸類型,這使得它能支持多種外設(shè)的需要,成為一種高效靈活的數(shù)據(jù)傳輸方式。共有 8 個端點:一個雙向控制端點(端點0)和三對輸入 /輸出端點(端點 13 輸入 /輸出)。該 FIFO 空間被分配給端點 03;端點 13 的 FIFO 可以被配置為輸入( IN)、輸出( OUT)或輸入 /輸出(分內(nèi)割模式)。 可以工作在全速或低速方式。外部振蕩器也可以與 4倍時鐘乘法器配合使用來產(chǎn)生 USB 時鐘。 USB 收發(fā)器符合 規(guī)范,并包含內(nèi)部匹配和上拉電阻。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書(畢業(yè) 論文 ) … 圖 USB控制器原理框圖 USB 接口分為 A、 B 型接口和 Mini 型接口等,本文實際電路中采用了標準 A 型USB 接口 ,其封裝圖如圖 所示。在此選用的是 Silabs 公司的 C8051F320。 USB功能控制器( USB0)由串行接口引擎( SIE)、 USB 收發(fā)器。上拉電阻可以被軟件使能 /禁止,可以根據(jù)軟件選擇的速度設(shè)置(全速或低速)出現(xiàn)在 D+或 D引腳。所以設(shè)計這部分硬件電路時,只要把單片機的 GND、 D+、 D、 VBUS 四根線連接到 J3 上即可。將 USB 電纜的一端接 J3,另一端接在計算機的 USB 端口上,這樣就能完成 數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。 由于整個模塊的功率估計在 3W 左右, USB 總線的供電量適合小功率模塊的供電,最大
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