毕业设计（论文）基于usb总线数据采集系统设计与实现

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1、 1、检索国内USB总线数据采集系统的发展动态，分析国内的现状； 2、完成USB总线数据采集系统方案选择设计； 3、完成系统中USB总线硬件与软件系统的设计； 4、完成系统中USB总线驱动程序系统的设计； 5、总结USB总线数据采集系统设计的体会和收获； 6、完成毕业论文的文稿工作，要求：总字数不低于一万字，使用A4编辑及打印装订成册； 7、技术图纸：控制系统原理图1张（0号）、控制系统程序流程图1张（0号）、； 8、翻译英文技术资料：翻译国内USB总线数据采集系统的（或相关课题）开发及研究的英文资料。要求：3000单词，复印原稿与翻译(打印)稿同册装订。 二、重点研究的问题： 1、 USB总

2、线数据采集系统方案选择设计； 2、 系统中USB总线硬件与软件系统的设计； 3、 系统中USB总线驱动程序系统的设计； 三、进度安排 各阶段完成的内容起止时间1资料检索、查询2010年2月20 日 3月5 日2系统总体方案构思及设计2010年3月6日 3月20日3完成USB总线数据采集方案选择设计2010年3月 21日 4月10日4完成USB总线数据采集硬件设计； 2010年4月11日 4月25日5完成USB总线数据采集软件的设计2010年4月26日 5月10日6毕业设计说明书撰写和编辑2010年5月11日 5月19日7交毕业设计说明书和图纸，答辩准备2010年5月 20 日 5月 25 日四

3、、应收集的资料及主要参考文献1 薛圆圆编著.USB应用开发技术大全M.北京:人民邮电出版社，2007.8 2 许永和，编著.USB接口完全解决方案M.北京:北京航空航天大学出版社，2004.8 3李全利，迟荣强编著.单片机原理及接口技术M.北京:高等教育出版社，2004.1 4周立功编著.PDIUSBDI2 USB固件编程与驱动开发M.北京:北京航空航天大学出版社，2003.2 5边海龙，贾少华编著.USB2.0设备的设计与开发M.北京:人民邮电出版社，2004.1 6张弘编著.USB接口设计M.西安:西安电子科技大学出版社，2002.1 7坎特编著.Windows WDM设备驱动程序开发指南

4、M.孙义，马莉波等译.北京:机械工业出版社，2000.1 8刘炳文，李凤华编著Visual Basic 6.0 Win32 API程序设计M.北京:清华大学出版社，2001.9 9陈志强编著.基于USB2.0图像采集卡的设计与实现M.西安:西安电子科技大学出版社，2007.5 10Jan Axelson编著；陈逸等译.USB大全M.北京:中国电力出版社，2001.1 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号 2006183833 姓名 罗 杰 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书）题目： 基于USB总线数据采集系统设计与实现 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现

5、学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处

6、。综合评 价评阅人： 2010年6月 日湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学 号： 2006183833 学生姓名： 罗 杰 专 业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 56 页 图 表 3 张论文（设计）题目： 基于USB总线数据采集系统设计与实现 内容提要： 本文介绍了一种基于通用串行总线USB(Universal Serial Bus)数据采集系统设计。随着用户对数据采集系统要求的不断提高,USB接口以其简单易用、速度快而被广大用户所接受。本论文所阐述的数据采集系统采用了集成了微处理器的USB接口芯片PDIUSBDI2来完成采样控制并与PC机应用程序完成系统通信功能。

7、由应用程序完成用户命令及数据的显示。该系统采用USB总线取代传统的数据采集总线，通过对USB协议和设备构架的理解,对数据采集系统进行了硬件设计和软件设计。硬件设计主要解决了控制器与主机通信问题,数据采样、模拟输出、I/O扩展等电路设计以及它们之间的接口。软件编程主要分为三部分:一是为满足获得最大传输速率和运行效率的固件程序编程；二是为用户提供的以动态链接库形式封装的功能函数；三是提供演示和测试的控制面板程序，并为系统提供了两个应用实例。除此之外，论文还介绍了设备驱动程序的开发，并在文章结尾对USB的应用前景进行了探索。指导教师评语罗杰同学在毕业设计中，工作态度端正，能积极努力地学习与钻研。毕业

8、设计选题较合适，系统设计方案较合理，毕业说明书书写、编辑较规范，论述较充分、通顺、清晰，图表及文献引用较为规范，反映了该生具有一定的分析问题、解决问题的能力，文献资料检索、利用和外文阅读翻译能力得以提高，较好地完成了毕业设计任务要求。建议评定毕业设计成绩为：良好。指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组： 年 月 日答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日目 录 第一章 绪论51.1 课题背景51.2 课题的提出51.3 USB串行总线优势61.4 本课题研究的内容和意义7第二章 USB概要设计92.1 USB传输要件92.2 事务、信息包和联络信号92.3 USB的传输结构102

9、.4 USB总线枚举过程132.5 USB的设备描述符142.6 USB请求15第三章 数据采集系统的硬件设计173.1 硬件系统的结构173.2 芯片选择173.2.1 ADC0809183.2.2 AT89C51203.2.3 PDIUSBD12213.3 接口硬件电路设计243.3.1 A/D与单片机接口电路253.3.2 PDIUSBDI2与单片机接口电路25第四章 数据采集系统软件设计274.1 A/D转换时序控制274.2 固件的开发274.3 采用PDIUSBD12的固件设计28 驱动的开发工具284.3.2 PDIUSBD12固件程序的编写294.4 固件结构304.5 固件的

10、编程实现32 底层函数32 命令接口32 中断服务程序ISR.C34 主循环MAINLOOP.C36第五章 USB设备驱动及应用程序设计405.1 USB设备驱动程序40 USB设备应用程序设计46 第六章 结 论49 参考文献50 附录51基于USB总线的数据采集系统设计摘要:本文介绍了一种基于通用串行总线USB(Universal Serial Bus)的数据采集系统设计。随着用户对数据采集系统要求的不断提高,USB接口以其简单易用、速度快而被广大用户所接受。本论文所阐述的数据采集系统采用了集成了微处理器的USB接口芯片PDIUSBDI2来完成采样控制并与PC机应用程序完成系统通信功能,由

11、应用程序完成用户命令及数据的显示。该系统采用USB总线取代传统的数据采集总线,通过对USB协议和设备构架的理解,对数据采集系统进行了硬件设计和软件设计。硬件设计主要解决了控制器与主机通信问题,数据采样、模拟输出、I/O扩展等电路设计以及它们之间的接口。软件编程主要分为三部分:一是为满足获得最大传输速率和运行效率的固件程序编程;二是为用户提供的以动态链接库形式封装的功能函数;三是提供演示和测试的控制面板程序,并为系统提供了两个应用实例。除此之外,论文还介绍了设备驱动程序的开发,并在文章结尾对USB的应用前景进行了探索。关键词：USB总线；单片机；数据采集；固件；Windows驱动程序模型；设备驱

12、动程序USB bus-based data acquisition system design and implementationAbstract:This paper describes the design of a data acquisition system based on USB. With the advance of the clients requirement on data collection of a system, as a late-model interface technology, USB is well accepted by vast clients

13、 because of its simplicity and high speed. The system using the USB interface chip with on-chip microprocessor PDIUSBDI2controls the data acquisition process and communicates with the computer. Through the man-machine interface clients can send commend and data can be printed. With good understandin

14、g of USB protocol and device truss, the system is design by using USB instead of other buses. The hardware design includes the communication between the controller and computer, the data acquisition part, analog output, I/O extension and the interface between them. The software program mainly includ

15、es the firmware code in the controller, functions for clients with DLL encapsulation and the control panel design. Also the device driver development is introduced and the foreground of USB application is explored at the end.KEY WORDS：USB bus；data collection；MCU；fireware；WDM；device drive program第一章

16、绪论本次毕业设计的数据采集系统是在单片机AT89C51控制下进行数据采集，并通过PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBDI2上传给PC机进行分析、显示和存盘。该系统用传统的USB总线取代了RS232串行总线，通过对USB协议和设备构架的充分理解，对以单片机89C51和USB接口芯片D12为主的数据采集系统进行了硬件设计和软件编程，并在此设计的基础上给出相应的原理图。硬件设计主要解决的是D12与单片机的接口电路的设计。软件设计可分为三部分：一是充分了解D12的主要功能特点，为满足D12在USB上的最大传输速率而编写固件程序，用C51语言编写：二是了解USB的设备驱动程序与应用。1.1 课

17、题背景现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益普遍，在瞬态信号测量、图像处理等一些测量中，都需要进行数据采集。现在通用的数据采集卡一般多是利用微机机箱内的PCI插槽或ISA插槽进行扩展。通过数据采集系统，可以简洁、通用化的硬件配合以相应的软件实现以往专用测试仪器的功能;完成“软件既仪器”的理念.信息技术与电子技术的迅猛发展，使得计算机和外围设备也得到飞速发展和应用。过去人们单纯追求计算机与外设之间的传输速度，现在纠错能力和操作安装的简易性也成为人们关注的目标。USB通讯技术的出现，使高传输速度、强纠错能力、易扩展性、方便的即插即用，有机的结合在一起。USB设备需要依据USB协议进行数据的解包

18、与打包，底层硬件设备与操作系统之间需要以驱动程序为桥梁。驱动程序以WDM为模型，以DDK为开发工具，以IRP为消息传播载体，来实现与Windows系统底层核心机制相交互的功能。1.2 课题的提出对于数据采集系统而言有两个关键性问题:一是控制A/D转换和数据传输的控制器，一是采集系统与上位机PC的传输方式。其中控制器一般采用通用的单片机，包括4位、8位、16位以至32位的各类单片机;这些单片机芯片优势在于价格低廉、结构简单、接口扩展能力强等，但是其数字运算能力较差，所以目前出现了许多以DSP芯片作为数据采集系统控制器的数据采集系统。本课题为简化开发难度，充分利用现有的工作环境采用较常用的AT89

19、C52单片机作为系统控制器。 对于数据采集系统与上位机的通讯方式，现行的常用方式是利用PC机箱内的PCI, ISA插槽进行扩展:其传输速度分别为132M/S. 16M/S、但是由于PC机接口资源有限，且需要对接口卡硬件资源进行合理配置，故其存在以下缺点:安装麻烦;价格昂贵;受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差;在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，易导致采集的数据失真。本课题旨在使用新型的通用串行总线USB完成数据采集系统的构架，充分发挥USB总线接口简洁、使用方便的优势;并为后续的使用USB总线对实验室现有的“频率特性测试系统”改进作前期准备工作。课题主要完成四个

20、方面的工作:数据采集系统硬件设计、固件设计、应用程序及WDM设备驱动程序设计。使用到的软件工具包括Prote199,K eilC 51,M icrosoftV isualSt udio6 .0,W in2000DDK:使用到的硬件工具包括单片机写入器、万用表、示波器等等。采用的操作系统平台为Windows 200。1.3 USB串行总线优势通用串行总线USB( UniversalS erialB us)是1995年康柏、微软、IBM,D EC等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于USB的高速数据

21、采集卡充分利用USB总线的上述优点，有效解决了传统数据采集卡的缺陷。USB从传统I/O模式的栓桔中解放出来，开辟了一条外设同PC机连接的方法。与其他的老式PC机接口相比，USB具有如下优点：1. 热插拔:用户可以把USB外设连接到一台正在运行的PC机上，操作系统能自动识别，并且用户可以立即使用，而不需要重新启动。用户也可以在任何时候断开USB设备，而不管计算机是否正在运行，这都不会损坏计算机。 2. 即插即用:USB实现了自动配置，它不需要用户手动配置I/O地址和中断请求(URQ)。当USB外设接入PC时，操作系统会自动检测到这个连接。并加载适合的驱动程序。对用户来说，只需要等待几秒钟，USB

22、外设的安装就会完成。3. 共享式接口:USB端口支持多个外设的连接，通过USB集线器，一个USB主控制器可以连接多达126个外设。4.接口体积小巧:和其它老式的PC接口相比，USB接口小且薄，更适合于外设体积的小型化。5. 使用灵活:USB支持三种类型的传输速率，1.5Mb/s的低速传输、12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速传输。USB支持四种传输类型，块传输、同步传输、中断传输和控制传输。这使得USB总线适合多种外设的传输需要。6. 提供电源:USB电缆向外设提供一根+5V的电源线，电流的大小取决于集线器端口。用户可以直接使用这个总线电源。当然 ,USB总线还存在许多缺陷，比如USB

23、2.0所支持的480Mb/s速率不及IEEE-1394的六分之一;USB总线传输距离有限;USB总线协议复杂等。但随着操作系统、硬件厂商对USB的进一步支持，其在PC外设方面的将大有可为。本课题旨在对USB总线的结构、协议和系统体系进行充分研究的基础上，完成一个实际的USB数据采集系统软硬件的构架。具体需要做的工作包括软件和硬件两部分。硬件方面 ,该系统使用Philips公司的PDIUSBD12芯片作为设备的USB接口芯片;采用常用的AT89C51作为系统的CPU: ADC0809芯片作为AD转换芯片。配合其它辅助芯片和单片机固件完成输入模拟信号的采集、存储和向PC主机的传输。软件方面分如下几

24、部分: 1. 单片机固件: 本系统中的单片机固件采用C语言编写，使用KeilC 51编译器为开发工具。固件中主要完成对USB协议规定的诸多标准请求以及用户自定义请求的响应;此外还包括控制ADC0809芯片完成对模拟信号的转换代码，以及USB设备所需各种描述符的定义。 2. 主机设备驱动程序: USB外设的驱动程序只能为WDM(WindowsD riverM odle)形式的驱动，课题中采用以DDK2000为开发工具，在VC6.0集成开发环境编写，编译时直接在DDK2000的DOS窗口中编译。 3. 用户应用程序: 应用程序是采集到数据最终显示、处理的地方。系统用户应用程序界面模仿传统示波器的外

25、形;以图形的方式动态的显示采样数据;具体的采样数值也可以写入“记事本”文件中，进而可以用其它专门软件进行处理。 Philips公司提供了PDIUSBD1 2的开发包，包括软件和硬件两部分。为用户使用该种型号的USB接口芯片进行设备开发提供一个基础和工作平台。 该数据采集系统的目的在于为实验室现有的一套频率特性测试仪的改进做前期工作。但系统应用的潜力并不局限与此，比如在增加与被测信号相适应的传感器、采样保持、滤波和隔离电路后系统可以方便的应用于家庭医疗护理方面，可以用于对人体的心率、脉搏、体温等参数的测试。在个人电脑逐步进入家庭的当今，这样的系统应当具有一定的应用前景。第二章 USB概要设计2.

26、1 USB传输要件1、端点端点是USB设备的一个部分，所有的传输都是将端点作为发出点或者接收点。通常情况下，设备端点是一个内存区域，或者是控制芯片的一个缓存器，端点的作用是数据缓存。每个USB设备有一个唯一的地址，这个地址是在设备连上主机时由主机分配的，而设备中的每个端点在设备内部有唯一的端点号，这个端点号是在设备设计时被给定的。端点号可以是015，方向可以是IN（设备发送数据给主机）或者OUT（主机发送数据给设备）。每个设备必须将端点0设置为控制端点。控制端点是双向传输数据，其他端点都是单向数据传输。2、管道管道是设备端点和主机控制器之间的连接，在一个传输发生之前，必须首先建立一个管道。管道

27、随着主机和设备的连接的建立而建立，当移除设备时，管道也跟着被移除。每一个设备都会和主机建立一个默认的控制管道（Default Control Pipe），此管道使用端口0。不同的传输类型使用不同的管道，此外管道还可以被分为消息管道（Message Pipe）和流管道（Stream Pipe）消息管道是指具有某种USB定义格式的数据流，是双向的管道；而流管道则是不具有USB定义格式的数据流，不具有双向性。控制传输是唯一使用双向消息管道的传输，其他传输都是使用单方向的流管道。2.2 事务、信息包和联络信号每一个USB传输包含一个或多个事务，每一个事务又包含一到三个信息包。事务根据其数据流方向以及传

28、输目的，可以分为3类：输入、输出与设置。每一个传输类型的传输包括一个或多个阶段(Stage)，一个阶段即一种类型的事务。每个阶段又可以分为一个或几个相位（Phase），相位包含几个或两个事务信息包。信息包是一个区块的固定格式信息，每个信息包由一个信息包标示符（PID）开头，作为信息包的识别。根据事务种类的不同，PID后面可能有端点地址、数据、状态信息，或者是一个在帧号码、错误校验位。在控制传输、批量传输和中断传输中都有一个相位是联络数据包，它包含的是联络信息。但是联络信号不是仅仅在联络数据包中，有些数据信息包中也包含联络信号。USB定义的联络信号如下：ACK(Acknowledge)：表示主机

29、或设备已成功接收数据。NAK(Negative Acknowledge)：表示设备在忙中。STALL：表示3种意义，即不支持的控制要求、控制要求失败或端点失败。NYET（Not Yet）：表示设备是否已准备好接收数据，只有高速设备使用。ERR（Error）：表示在集线器和主机事务中，设备没有传回预期的联络信号。ERR只有在高速集线器完成事务分割时才会使用。2.3 USB的传输结构USB的传输结构描述的是各个类型USB传输的时序、数据包和特征。下面分别介绍一下4种USB传输类型的传输结构：1、控制传输控制传输用于在设备初次连接时对器件进行配置，以及对设备的状态进行实时检测，还有在设备配置完成后用

30、于特殊传输目的。端点0只可以采用控制传送的方式。每一个控制传输都必须有设置与状态阶段，数据阶段则是选择性的。控制传输的设置事务传输结构如图2-1所示：图2-1 控制传输结构示意图控制传送的数据阶段，由一个以上的输入或输出事务构成，遵守和批处理传送相同的协议规则。所有的数据阶段里的事务都必须有相同的方向（即全部输入或全部输出）。在数据项中要发送的数据的数量和其方向在建立阶段被指定。如果数据的数量超过了先前确定的数据包的大小，数据在支持最大的包大小的多个事务中被发送（输入或输出）。任何剩下的数据都作为剩余在最后的事务中被发送。2、批量传输批量传输包含一个或者多个传输事务，其传输是单方向的，即所有的

31、事务都必须是输入或输出事务。如果需要双向传数据，需要另建立一个管道。批量传输的传输结构如图2-2所示：图2-2 批量传输结构示意图3、中断传输中断传输适用于小批量的、点式、非连续的数据传输应用的场合。中断传输必须在指定的时间内完成，它一般应用于鼠标、键盘、游戏杆等HID（Human Interface Device）类设备以及集线器的状态报表中。中断传输的传输结构如图2-3所示：图2-3 中断传输结构示意图4、同步传输同步传输的意义在于每一个帧或者微帧内必须传输固定数目的字节数据，它适用于固定速度或者特定时间的传输。同步传输没有联络阶段，所以不能保证传输的完全可靠性。同步传输的传输结构如图2-

32、4所示：图2-4 同步传输结构示意图2.4 USB总线枚举过程USB规范定义的设备状态总共有6个，分别是连接（Attached）、上电（Powered）、默认（Default）、地址（Address）、配置（Configured）和挂起（Suspend）。USB总线枚举过程中，USB设备需要经历后4种状态。USB集线器负责监测设备的连接情况，而USB主机会通过集线器轮询地查询设备。当主机发现一个新的设备时，会要求集线器建立与设备的通信通道，即设备的端点0，控制传输端点。之后，主机会通过此通道向设备发送一系列的标准USB 请求以获取所需的信息，设备必须响应这些请求并且采取适当的动作。这个过程即称

33、为USB的总线枚举。总线枚举的过程如下： 设备连接USB设备通过USB总线与主机相连。 设备上电USB设备可以采用USB总线供电，也可以使用外部电源供电。 主机检测到设备，进行复位设备连接到总线后，主机通过检测设备在差分信号线的上拉电阻检测到有新的设备连接，并获释该设备是全速设备还是低速设备，如果上拉电阻与D+线相连，则为全速设备，如果上拉电阻与D线相连，则为低速设备，主机确认有设备连接后，向该端口发送一个复位信号。 设备默认状态设备收到一个复位信号后，连接到主机的所有设备的地址为默认地址（00H），主机会首先发送一个获取设备描述符的请求，设备通过这个默认地址向主机发送第一次设备描述符。 地址

34、分配当主机接收到有设备对默认地址（00H）来响应的时候，就确认有设备连接，主机对设备分配一个空闲的地址（如02H），以后设备就只对02H地址进行响应。 读取USB设备描述符主机分配给设备地址后，通过这个地址主机读取该设备描述符，确认USB设备的属性。 设备配置主机依照读取的USB设备描述符来进行配置，如果设备所需的USB资源得以满足，主机就会查找驱动，当正确找到驱动后，主机给设备发送配置命令，配置完毕后，这个USB设备就枚举成功了。 挂起为了节省电源，当总线保持空闲状态超过3ms以后，设备驱动程序就会进入挂起状态，在挂起状态时，设备的消耗电流不超过500A。当被挂起时，USB设备保留了包括其地

35、址和配置信息在内的所有的内部状态。2.5 USB的设备描述符标准的USB描述符包括设备（Device）描述符、配置（Configuration）描述符、接口（Interface）描述符、端点（Endpoint）描述符以及字符串（String）描述符，字符串描述符不是必须的。不同的描述符从不同的层级来表示设备的属性。设备描述符包含了整个设备的信息以及设备支持的配置号码，每一个设备只能由一个设备描述符。但每一个设备可以有几个配置描述符，它包含了电源管理信息以及所支持的接口号码。接口描述符包含了与端点通信所需要的信息，它可以有零个或多个端点描述符。各个描述符的树状结构如图2-5所示：图2-5 描述符

36、的树状结构设备描述符描述了一个USB设备的总体信息，它在枚举过程中主机从设备读取的第一个描述符。设备描述符总共有18个字节，分为14个字段。配置、接口以及端点描述符是在主机得到设备描述符之后发送给主机的。配置描述符描述了一个特定的设备配置信息，主机使用Set_Configuration请求来选择一个配置，用Get_Configuration请求来返回一个配置。当主机请求获取一个配置描述符的时候，与配置描述符相关的所有接口、端点描述符都会一并返回。配置描述符由9个字节组成，分为8个字段。接口描述符描述了一个配置中的特定接口。接口描述符总是作为配置描述符的一部分被返回，主机不能通过Get_Desc

37、riptor请求直接获取接口描述符。接口描述符由9个字节组成，分为9个字段。端点描述符包含了主机用来确定一个端点带宽要求的信息。除了端点0外，一个接口所使用的每一个端点都有它自己的描述符。端点0不需要描述符，它也不能直接由Get_Descriptor请求来获得。端点描述符由7个字节组成，分为6个字段。2.6 USB请求USB规范定义了3种请求，分别是标准请求（Standard Request）、类请求（Class Request）和厂商请求（Vendor Request）。USB规范定义了11种标准请求，所有设备都必须对这11种请求作出响应，即使当主机没有给设备分配一个地址或者没有配置设备。某

38、些设备的功能类似或者提供类似的服务，USB协议就将它们归为一类，并且定义了特定的请求，称为类请求。但是只有类请求是不能满足众多USB厂商的需求的，所以，USB协议允许一个供应商为它的设备自定义特殊的请求，此类请求称为厂商请求。所有的USB总线设备以缺省控制管道响应主机发出的请求，这些请求是通过控制传输来完成的，请求及请求的参数通过Setup包发向设备，由主机负责设置Setup包内的每个域的值。Setup包格式如表2-1所示。表2-1 SETUP包格式大小（B）11222域bmRequestTypebRequestwValuewIndexwLength在表.1中，bmRequestType表示设

39、备请求类型，D7：数据传输方向， 0主机到设备，1设备到主机；D65：类型，0标准，1类型，2厂商，3保留；D40：接收方，0设备，1接口，2端点，3其它；431保留。bRequest表示USB设备请求值，标准请求有11个命令。wValue为值，它根据不同的请求，以字节来定义，例如，设备请求为Get Descriptor(06H)，wValue为01H时，表明要发送设备描述符。wLength表示长度，如果传输的是一组数据，则这个长度的值表示要传输数据的字节数。本章介绍了USB协议的相关内容，包括USB传输要件，USB传输中的事务、信息包和联络信号，USB的传输结构，USB的总线枚举过程，USB

40、的设备描述符以及USB请求。本章为本设计下面内容的展开奠定了基础。第三章 数据采集系统的硬件设计如前所述 ，USB系统中的通信主要由主机控制，这里的主机是指计算机硬件与软件的结合体，不是单纯的硬件。在开发USB的外围设备时，需要有主机中主控制器对应外设控制器和外设响应软件程序。其中硬件部分的收发器的作用是驱动和接收USB的差分数据，串行输入引擎SIE的作用是前端硬件和USB标准中相关规定的协议内容，即包识别、数据编码和译码、填充和去填充、CRC错误校验、数据串并和并串转换等。协议引擎部分的主要作用是操作控制管道(端点0)的消息流、USB标准中相关内容规定的最底层协议和数据接受与发送。3.1 硬

41、件系统的结构基于USB总线的实时数据采集系统硬件组成包括模拟开关、A/D转换器、单片机、USB接口芯片，该系统能够实现8路数据自动采集，系统的组成框图如图所示。主要包括5个组成部分：中央处理器选用AT89C51芯片，完成各部分控制功能和USB传输协议；A/D转换器和接口电路主要完成数据采集，并读入MCU处理；复位电路完成对MCU的上电复位和电源电压监视；电源电路主要为各部分提供要求的电源；外设与主机间的通信电路采用USB接口。单片机通过8位并行接口传送经过A/D转换的采集数据，存储在FIFO存储器中。一旦存满，串行接口引擎SIE立刻对数据进行处理，包括同步模式识别、并串转换、位填充/不填充、C

42、RC校验、PID确认、地址识别以及握手鉴定，处理完毕后数据由模拟收/发器通过D+、D-发送至PC。上述过程遵循USB1.1协议。现场电信号A / D转换器USB接口芯片PC机MCU图3-1 数据采集系统硬件组成框图3.2 芯片选择USB数据采集系统硬件主要由微控制器AT89C51,A/D转换芯片ADC0809,USB接口芯片PDIUSBDI2组成。在实际开发过程中使用USB D12 SMART开发套件，使用其预留的扩展口在试验板上搭建AID转换电路，并对开发板电路进行相应修改而实现此硬件系统。要实现一个USB设备，首先面对的问题就是选择一种适合的USB控制芯片。从芯片大的构架来分，市面上所有的

43、USB控制器芯片可以分为不需要外接微控制器的芯片和需要外接微控制器的芯片。而不需要外接微控制器的芯片又可以分为专门为USB设计的芯片和嵌入通用微控制器内核的芯片。 该类芯片是厂商为开发USB应用设备而专门设计的，内部用的是专用的7C63101A, CY7C63723、等等。 内嵌通用微控制器的USB控制芯片可以说是在通用微控制器的基础上扩展了USB功能。这些控制器芯片的优点是开发者已经熟悉了这些通用微控制器的结构和指令集，所以开发起来救比较容易。即使用户不熟悉这些芯片的结构，但是介绍这些微控制器的书籍和关于他们的范例程序、开发工具等都可以作为设计时的参考。此类芯片的典型代表有:Cypress公

44、司的EZarU SB系列芯片(内嵌80C186), Atmel公司的AT76C711(内嵌Atmel AVR), SIEMENS公司的C541U(内 嵌80C51,8 0052)等等。 这些USB控制芯片只负责处理USB相关的通信工作，而且必须由外部微控制器的控制才能正常工作。如果选择了这种设计方按，那么必须再选择一个微控制器芯片，这样就增加了设备的体积。但其优点是用户可以选择任何一种己熟悉的微控制器，而且这种芯片价格也相对便宜。 3.2.1 ADC0809ADC0809允许的最大时钟频率为1280kHz，主要管脚功能如下:地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当AL

45、E线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路图3-2 ADC0809的内部逻辑结构模拟量输入。 ADC0809对输入模拟量要求信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 通道选择表如下表3-1所示。表3-1CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号:当S

46、T上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 VREF（），VREF（）为参考电压输入。CLOCK: 时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ.START: 启动脉冲输入端。在时钟脉冲频率为640kHz时，START脉宽应大于100ns-200ns

47、 。EOC: EOC为转换结束信号,当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。D7-DO: 转换所得八位输出数据，D7是最高位，而DO是最低位。OE: 允许输出端。OE端控制输出锁存器的三态门。当OE=1时，转换所得数据出现在D7-DO脚，当OE=0时D7-DO脚对外是高阻抗。 ADC0809应用说明:（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89C51单片机直接相连。 （2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3）送通道的地址到A、B、C端口上。 （4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 （6）

48、当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 3.2.2 AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图3-3 AT89C51管脚图

49、主要特性：(1)4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)(2)全静态工作：0Hz-24KHz(3)三级程序存储器保密锁定(4)128*8位内部RAM(5)32条可编程I/O线(6)两个16位定时器/计数器(7)6个中断源(8)可编程串行通道(9)低功耗的闲置和掉电模式(10)片内振荡器和时钟电路3.2.3 PDIUSBD12介绍PDIUSBD12是一款性价比很高的USB器件，它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口。它还支持本地的DMA传输。这种实现USB接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微控制器中选择出最合适的微控制器。这种灵活性减小了开发的

50、时间风险以及费用（通过使用已有的结构和减少固件上的投资），从而用最快捷的方法实现最经济的USB外设的解决方案。PDIUSBD12完全符合USB1.1版的规范，它还符合大多数器件的分类规格：成像类、海量存储器件、通信器件、打印设备以及人机接口设备。同样地，PDIUSBD12理想地适用于许多外设，例如：打印机、扫描仪、外部的存储设备、Zip驱动器和数码相机等等，它使得当前使用SCSI的系统可以立即降低成本。PDIUSBD12 所具有的低挂起功耗连同LazyClock输出可以满足使用ACPI、OnNOW和USB电源管理的要求。低的操作功耗可以应用于使用总线供电的外设。此外它还集成了许多特性包括Sof

51、tConnetTM、GoodLinkTM、可编程时钟输出、低频晶振和终止寄存器。集合所有这些特性都为系统显著节约了成本，同时使USB功能在外设上的应用变得容易。 D12芯片的主要特点包括：（1）符合USB1.1版本规范；（2）可与任何外部微控制器/微处理器实现高速并行接口(2MB/s)；（3）采用GoodLink技术的连接指示器，在通信时使LED闪烁；（4）主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输；（5）在批量和等时模式下均可实现1Mb/s的数据传输率；（6）完全自治的直接内存存取DMA操作。PDIUSBD12内部结构如图3-4所示。图3-4 PDIUSBD12内部结构说明：1

52、、模拟收发器：集成的收发器接口可通过终端电阻直接与USB电缆相连。2、电压调整器：片内集成了一个3.3V的调整器用于模拟收发器的供电。该电压还作为输出连接到外部1.5K的上拉电阻。可选择PDIUSBD12提供的带1.5K内部上拉电阻的软件连接到外部1.5K内部上拉电阻的软件连接技术。3、PLL锁相环：片内集成了6MHz时钟乘法PLL，这样就可使用低成本的6MHz晶振，EMI也随之降低。PLL的工作不需要外部元件。4、位时钟恢复：位时钟恢复电路使用4X过采样规则，从进入的USB数据流中恢复时钟，能跟踪USB规定范围内的抖动和频漂。5、PHILIPS串行接口引擎（PSIE）：PSIE实现了全部的U

53、SB协议层，且完全由硬件实现而不需要固件的参与。该模块的功能包括：同步模式的识别；并行/串行转换；位填充/解除填充；CRC校验/产生；PID校验/产生；地址识别和握手评估/产生。6、SoftConnectTM：SoftConnectTM与USB的连接是通过1.5K上拉电阻将D（用于高速USB器件）设置为高实现的。1.5K上拉电阴集成在PDIUSBD12片内，默认状态下不与V相连，其连接的建立是通过外部系统微控制器发送命令来实现的。这就允许系统微控制器在决定与USB建立连接之前完成初始化时序。USB总线连接可以重新初始化而不需要拔出电缆。PDIUSBD12在连接可以建立之前会检测USB规格的5%

54、，但用于连接的VSE电压规格仍然有足够的余量。SoftConnectTM是PHILIPS半导体一项尚未获批准的专利技术。7、GoodLinkTM：GoodLinkTM技术可提供可提供良好的USB连接指示。在枚举中，LED指示根据通信的状况间歇闪烁。当PDIUSBD12成功地枚举和配置后，LED指示将一直点亮。随后与PDIUSBD12之间成功的传输（带应答）将关闭LED。处于挂起状态时，LED将会关闭。该特性为USB器件，集线器和USB通信状态提供了用户友好的指示。作为一个诊断工具它对隔离故障的设备是很有用的。该特性降低了现场支持和热线的成本。8、存储器管理单元（MMU）和集成RAM：在以12M

55、B/S的速率传输并与微控制器并口相连时，MMU和集成RAM作为USB之间速度差异和缓冲区。这就允许微控制器以其自己的速率对USB信息包进行读写。9、并行和DMA接口：一个普通的并行接口定义成易于使用，快速而且可以主流的微控制器直接连接的接口。对一个微控制器而言，PDIUSBD12看起来就像一个带8位数据总线和一个地址（占用2个位置）的存储器件，PDIUSBD12支持多路复用和非复用的地址和数据总线；支持主端点与本地共享RAM之间直接读取的DMA传输；还支持单周期和突发模式的DMA传输。10、DMA传输：直接存储器寻址（DMA）允许在主端点和本地共享存储器间实现数据块的有效传输。使用DMA控制器

56、，PDIUSBD12的主端点和本地共享存储器间的数据传输可自主进行，而不需要本地CPU的干预。要处理任何DMA传输，本地CPU从主机接收必要的SETUP信息，并对DMA控制器进行正确的编程。典型的，对DMA控制器的传输模式，字节计数寄存器和地址计数器进行正确的编程。在该模式下，PDIUSBD12发出请求时开始传输，当字节计数器减少为零时终止。在DMA控制器编程之后，本地CPU在初始化传输时，将PDIUSBD12中的DMA使能位置位。PDIUSBD12可编程为单周期DMA或突发模式DMA。在单周期DMA中，DMREQ在每单个应答后直到被DMACK_N重新激活之前保持无效。在突发模式DMA中，DM

57、REQ器件中突发编程时一直保持有效。该过程持续到PDIUSBD12通过EOT_N接收到一个DMA终止信息，这时产生一个中断指示本地CPU，DMA操作已经完成。3.3 接口硬件电路设计由D12接口组成的通信电路原理如图.1所示。多路地址/数据总线ALE接单片机的ALE脚，这样使用传送指令可以与D12接口，对D12操作就象对D12操作一样，此时忽略A0（命令口和数据口地址线）的输入。因为没有使用DMA传输方式，所以没有用到DMACK_N、EOT_N和DMREQ_N等DMA引脚。INT_N是USB中断请求脚，发出USB中断请求；GL_N是GooDLink指示灯，在调试过程中非常有用，在通信时会不停闪

58、烁。如果一直亮或者一直暗，表示USB接口有问题，如果D12挂起，则LED关闭。CLKOUT是D12的时钟输出，可以通过固件编程改变其频率，在调试固件时，可作为参考。3.3.1 A/D与单片机接口电路 图3-5 ADC0809与89C51的接口电路89C51通过P2.7和读、写控制线来控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动和允许输出。编程时注意启动AD0809后，EOC在一定时间才能变成低电平。3.3.2 PDIUSBDI2与单片机接口电路PDIUSBD12与89C51的连接电路如图.1所示。89C51的ALE和PD12的ALE相接，表示采用单独地址和数据总线配置。其AO脚接高电平用于控制命令或

59、数据输入到PDIUSBD12，也就是编程中outportcmd()和outportdata()函数。此外89051的多位地址/数据复用总线PO可直接与PDIUSBD12的数据总线相连，CLKOUT时钟输出为89C51提供时钟输入。图3-6 PDIUSBD12与89C51的连接电路 在该数据采集系统中，用ADC0809采集0-5V的电压信号，经A/D转换后将数字量存入预先设定的缓冲区里，利用接口芯片D12将数据送至USB总线上。设备应用程序从缓冲区里取数据显示，通过数值来说明USB接口的采集速率比一般的串行总线速度高。当前端的电压信号不断变化的同时，在PC上可以观察到数据的变化，这就表明利用USB接口在数字采集系统中进行数据传输是能够实现的，而且能够很好的实现。 第 56 页 共 56 页第四章 数据采集系统软件设计4.1 A/D转换时序控制 采用延时等待A/D转换结束方式，分别对8路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果存入存储器。在软件编程时，令P2.7=0，A0、A1、A2给出被选择的模拟通道地址和启动A/