基于单片机和USB接口的数据采集系统设计

《基于单片机和USB接口的数据采集系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机和USB接口的数据采集系统设计（63页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、XX 大学毕业设计（论文） I基于单片机和基于单片机和 USBUSB 接口的数据采集系统设计接口的数据采集系统设计摘摘 要要通用串行总线 USB(Universal Serial Bus)是一种新型的微机总线接口规范。随着客户对系统数据采集速度要求的不断提高，USB 以其使用方便、易于扩展、速度快等优点而越来越多的应用于数据采集系统中。本文介绍了一种基于 USB 总线的数据采集系统的设计方法，采用 PHILIPS 公司的USB 接口芯片 PDIUSBD12 与单片机 AT89C51 进行通信，并和 PC 机通信。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

2、备构架的充分理解，对以单片机 89C51 和 USB 接口芯片 PDIUSBD12 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 PDIUSBD12 和 ADC0809 与单片机之间的接口电路问题，软件编程大致分为三部分:一是为满足 D12 在 USB 上的最大传输速率而编写的固件程序;二是在 PC 机中的 Windows 2000 工作环境下编写 USB 设备驱动程序；三是充分了解 D12 的主要功能特点，并编写出应用程序。通过该数据采集系统，我们可以对 USB协议有很深刻的理解，对 D12 接口芯片有很熟练的应用，能更好领悟 USB

3、接口的优势。关键词：关键词：单片机；USB；数据采集；固件基于单片机和 USB 接口的数据采集系统设计 II Design of Data Acquisition System Based on Single Chip Computer and USB InterfaceAbstractUniversal Serial Bus is a new specification for microcomputer bus interface. With the continuing advance of the clients demand for the speed of a data colle

4、ction system, USB is more and more widely used in data collection system for its advantages such as convenience, expanding port with ease and high speed etc.This paper presents a USB-based data acquisition system design methods, PHILIPS companies using the USB interface chip with PDIUSBD12 Progressi

5、ve AT89C51 OK communication, and communication and PC. The system using traditional USB replace the RS232 serial bus, Through the USB framework agreement and equipment with the full understanding, right to 89 C51 microcontroller and USB interface chip PDIUSBD12-based data acquisition system for the

6、hardware pieces of software design and programming, and in this design is given on the basis of the corresponding diagram. The main solution of Hardware design is the Connection between PDIUSBD12 and ADC0809 with the interface between the microcontroller circuit,The software programme mainly include

7、s: the fireware code in need of D12s maximum transmission rate; USB device driver and client application under the circustance of Win2000 operation system in computer. After this data collection system,we can understand the USB protocol profoundly and apply the interface chip-PDIUSBDI2 proficiently.

8、 In all, the advantages of this interface technique may helps to your design arrangement.Keywords: MCU;USB;data collection; firmwareXX 大学毕业设计（论文） III目目 录录引引 言言 .- 1 -第第 1 1 章章 绪论绪论 .- 2 -1.1 课题的背景 .- 2 -1.2 课题的研究意义与现状 .- 2 -1.3 系统的设计方案 .- 4 -第第 2 2 章章 USBUSB 协议简介协议简介.- 5 -2.1 USB 传输要件 .- 5 -2.2 USB

9、总线协议层 .- 5 -2.3 USB 的传输结构 .- 6 -2.4 USB 总线枚举过程 .- 8 -2.5 USB 的设备描述符 .- 10 -2.6 USB 请求 .- 11 -第第 3 3 章章 数据采集系统的硬件设计数据采集系统的硬件设计 .- 12 -3.1 硬件系统的结构.- 12 -3.2 芯片选择.- 12 -3.2.1 ADC0809 .- 12 -3.2.2 AT89C51 .- 14 -3.2.3 PDIUSBD12 .- 16 -3.2.4X25045.- 18 -3.3 单片机最小系统.- 19 -3.3.1 单片机的时钟电路 .- 19 -3.3.2 单片机的复

10、位电路.- 19 -3.4 电源电路 .- 21 -3.5 看门狗电路 .- 21 -3.6 接口硬件电路设计.- 22 -3.6.1 A/D 与单片机接口电路.- 23 -3.6.2 PDIUSBDI2 与单片机接口电路.- 23 -第第 4 4 章章 数据采集系统软件设计数据采集系统软件设计 .- 24 -4.1 A/D 转换时序控制.- 24 -4.2 固件的开发.- 25 -4.3 采用 PDIUSBD12 的固件设计.- 26 -4.3.1 固件编程的主要工作 .- 26 -4.3.2 PDIUSBD12 固件程序的编写.- 26 -4.4 固件结构.- 27 -4.5 固件的编程实

11、现.- 28 -4.5.1 底层函数 .- 28 -4.5.2 命令接口 .- 29 -4.5.3 中断服务程序 ISR.C.- 31 -4.5.4 主循环 .- 32 -4.6 USB 设备驱动程序.- 32 -基于单片机和 USB 接口的数据采集系统设计 IV 4.6.1 USB 设备应用程序设计 .- 33 -第第 5 5 章章 调试调试 .- 36 -5.1 硬件调试.- 36 -5.2 软件调试.- 36 -结论与展望结论与展望 .- 37 -致致 谢谢 .- 38 -参考文献参考文献 .- 39 -附录附录 A A 系统总图系统总图.- - 40 - -附录附录 B B 外文文献及

12、译文外文文献及译文.- 41 -附录附录 C C 主要参考文献及摘要主要参考文献及摘要.- 46 -附录附录 D D 源程序源程序.- - 48 - - XX 大学毕业设计（论文） V插图清单插图清单图 2.3.1 控制传输结构示意图 . - 6 -图 2.3.2 批量传输结构示意图 . - 7 -图 2.3.3 中断传输结构示意图 . - 8 -图 2.3.4 同步传输结构示意图 . - 8 -图 2.5.1 描述符的树状结构 . - 10 -图 3.1.1 数据采集系统硬件组成框图 . - 12 -图3.2.1.1 ADC0809的内部逻辑结构. - 13 -图 3.2.2.1 AT89C

13、51 引脚图 . - 15 -图 3.2.3.1 PDIUSBD12 内部结构 .- 16 -图3.3.1.1 ADC0809与89C51的接口电路 . - 18 -图3.3.2.1 PDIUSBD12与89C51的连接电路 . - 19 -图 4.1.1 A/D 转换程序流程图 . - 20 -图 4.4.1 数据采集系统固件结构 .- 22 -图 4.4.2 数据采集系统的固件结构 .- 23 -图 4.4 内部中断程序流程图. - 26 -图4.5.4.1 主循环流程 . - 27 -图4.6.2.1 应用程序流程图 . - 29 -基于单片机和 USB 接口的数据采集系统设计 VI 表

14、格清单表格清单表 1.2.1 USB 使用分类表 . -3-表 2.6.1 SETUP 包格式 .- 11 -表 3.2.1.1 通道选择表 . . - 13 -XX 大学毕业设计（论文） VII安徽工程大学毕业论文- 1 -引引 言言在石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域中，都必须进行相关的数据采集。随着科学技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等广泛领域，计算机控制技术正发挥着越来越重要的作用。然而外界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温度，压力，速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化

15、，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程即是数据采集。数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁。数据采集技术是以传感器技术、信号检测与处理、电子学、计算机技术等方面技术为基础而形成的一个综合应用技术学科，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将会有着更广阔的发展前景。USB 是一种 IT 行业新发展起来的通用接口标准，目前很多应用主要集中在 PC 机的外设和一些消费类电子上。其实，作为一种通用型串行总线标准，USB 不仅仅适用于 IT 行业，它的应用空间很广泛，完全可以使用在不同的领域和行业。特别是由于USB 的使用简单、

16、即插即用、热插拔、开放性、高速、稳定、可靠性高等优点，它特别适用于仪器仪表、虚拟仪器、数据采集、数据采集设备、监控设备和加密设备等等场合。本数据采集系统硬件模块主要由串行 A/D 转换器、89C51 芯片、USB 接口芯片和多路模拟开关等组成。系统以 AT89C51 单片机为核心，集成电路全部采用 CMOS 器件。与传统的 8031 单片机数据采集器相比，AT89C51 单片机数据采集器硬件结构简单，价格低廉。由于采用 16 位的 AD0809，精度高，能够满足测量要求。特别是该数据采集器配有串行通信接口，与微机相联后能够极大地提高测试系统的数据处理能力，容易实现误差的计算与补偿、校准测量仪器

17、的非线性等。这种单片机控制的数据采集系统克服了精度低、滞差大、走时短等缺点，并且功耗低、性能可靠，可以长时间连续工作，有着非常广的应用空间。 赵琼：基于单片机和 USB 接口的数据采集器系统设计- 2 -第第 1 章章 绪论绪论1.1 课题的背景随着数字化的广泛应用，数据采集也越来越重要，传统的外设与主机的通信口一般采用ISA、PCI、C PCI、1394等标准，基于这些接口的产品，安装麻烦，价格昂贵，并受计算机插槽数量、地址中断资源限制，且可扩展性差，USB的出现，很好地解决了以上问题。 USB作为一种新型的串口通信标准，具有较高的传输速率，可扩展性好，采用总线供电，使用灵活。它共有4种传输

18、模式：控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，以适应不同设备的需要。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 课题的研究意义与现状尽管RS232是一种十分成熟

19、且应用广泛的通讯方式，但是随着控制系统的日益复杂，所要采集的量也会越来越多。因此寻求一种高速、安全、方便的通讯形式是十分必要的。USB技术虽然出现的时间并不长，但是由于它的种种优点，被越来越多的厂商和用户所接受，出现了USB打印机、摄像头等产品。尽管目前USB接口的应用主要集中在电脑的周边外设，但是USB产品进入工控领域将是必然的趋势。采用PDIUSBD12芯片和89C51单片机设计的基于USB总线的数据采集系统，具有可靠性高、数据不丢失、抗干扰性强、便于数据传输和处理等优点，可在信号测试、信号采集场合广泛使用。所以本课题的研究是具有一定的现实意义和经济意义的。下面对 USB 的性能做简单的介

20、绍。安徽工程大学毕业论文- 3 -表 1.2.1 USB 使用分类表通用串行总线(Universal Serial Bus，简称USB)是康柏、微软、IBM， DEC等公司为了解传统总线的不足推出的一种新型串行总线接口规范， 自1995年在Comdex上亮相以来至今己广泛地为各PC厂家所支持。现在生产的PC机几乎都配备了，USB接口，Microsoft的windows98， NT以及MacOS， Linux， FreeBSD等流行操作系统都增加了对USB的支持。USB的主要特点如下：1. 速度快。USB 有全速和低速两种方式，主模式为全速模式，速率为12Mbps，从而使一些要求高速数据的外设，

21、如：高速硬盘、摄像头等，都能统一到同一个总线框架下。另外为了适应一些不需要很大吞吐量但是有很高实时性要求的设备，如鼠标、键盘、游戏杆等，USB还提供低速方式，速率为1.5Mbps。如表1.2.1所示。新推出的USB2.0协议提供最高达480Mbps的数据传输速率可以适应各种不同类型的外设。2. 支持热插拔和即插即用。 所有的USB 设备可以随时的插入和拔离系统，USB 主机能够动态的识别设备的状态，并自动给接入的设备分配地址和配置参数，添加、删除设备完全不用关闭计算机，也不必像过去那样需要手动跳线和拨码开关来设置新的外设。3. 易于扩展。USB使用的是一种易于扩展的树状结构，通过使用USB H

22、ub扩展可连接多达127个外设。标准USB电缆长度为3米(低速为5米)。通过Hub或中继器可以使外设距离达到30米。4. 使用灵活。 USB共有4种传输模式：控制传输(control)，同步传输(synchronization)、中断传输(interrupt)、批量传输(bulk)，适应不同设备的需要。5. 能够采用总线供电。 普通使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而USB设备则不需要，因为USB接口提供了内置电源eUSB电源能向低压设备提供最大5V， 500mA 的电源，从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。性能性能应用应用特性特性低速交互设备10-20kb/s键盘、鼠标、游戏棒低

23、价格、热插拔、易用性中速电话、音频、压缩视频500kb/s-10Mb/sISBN、PBX、POTS低价格、易用性、动态插拔、限定带宽和延迟高速音频、磁盘25-500Mb/s音频、磁盘高带宽、限定延迟、易用性赵琼：基于单片机和 USB 接口的数据采集器系统设计- 4 -6. 实现成本低。 USB对系统与PC的集成进行了优化，适合于开发低成本的外设。本文设计的基于USB总线的数据采集系统正是充分地利用了USB 总线的上述优点，从而有效地解决了传统数据采集系统的缺陷。很方便地就能够实现低成本、高可靠性、实时的数据采集，适用于对瞬态信号进行采集和处理1.3 系统的设计方案 本论文所设计的数据采集系统是

24、在单片机 89C51 控制下进行数据采集，并通过PHILIPS 公司的 USB 接口芯片 PDIUSBD12 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。软件设计可分为两部分：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

25、设备驱动程序与应用。 本数据采集系统的系统框图如下图所示：MCUUSB接口芯片PC机A/D转换器多路模拟开关安徽工程大学毕业论文- 5 -第第 2 章章 USB 协议简介协议简介2.1 USB 传输要件1 1、设备端点、设备端点端点是可唯一识别的 USB 设备的一部分，它是主机与设备间通信流的一个结束点。一系列相互独立的端点在一起构成了 USB 逻辑设备。每个逻辑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给定的。每个端点都是一个简单的连接点，或者支持数据流进设备，或者支持其流出设备，两者不可兼得。端点号不为

26、 0 的端点在被设置前处于未知状态，是不能被主机访问的。所有 USB 设备都需要实现一个缺省的控制方法。这种方法将端点 0 作为输入端点和输出端点。USB 系统用这个缺省方法初始化。一旦设备接上并加电，且收到一个总线复位命令，端点 0 就是可访问的了。除缺省控制通道的缺省端点外，其他端点只有在设备被设置后才可使用。2 2、USB 通道通道USB 通道是设备上的端点和主机上的软件之间的联系，体现了主机上缓存和端点间传送数据的能力。USB 有两个不同且互斥的通道通信格式：流：指不具有 USB 定义的格式的数据流。消息：指具有某种 USB 定义的格式的数据流。USB 不解释在通道中传送的数据的内容。

27、消息通道要求数据组织成 USB 定义的格式，但它的内容，USB 是不管的2.2 USB 总线协议层总线协议层2.2.1 位定序数据位被发送到总线的时候，首先最低有效位，跟着是下一个最低有效位，最后是最高有效位2.2.2 同步字段所有的包都是从同步字段开始的，同步字段是产生最大的边缘转换密度的编码序列。同步字段作为空闲状态出现在总线上，通过被定义为 8 位长的二进制串，输入电路以本地时钟对齐输入数据。同步字段的最后 2 位是同步字段结束的记号，并且标志了包标识符的开始赵琼：基于单片机和 USB 接口的数据采集器系统设计- 6 -2.2.3 包标识符所有 USB 包的同步字段后都紧跟着包标识符（P

28、ID） 。如图 2.2 所示，PID 由 4 位的包类型字段和其后的 4 位的校验字段构成。PID 指出了包的类型，并由此隐含地指出了包的格式和包上所用错误检测的类型。PID 的 4 位的校验字段可以保证 PID 译码的可靠性，这样包的余项也就能被正确地解释。PID 的校验字段通过求包类型字段的二进制反码产生。如果 4 个 PID 检验位不是它们的各自的包标识符位的补，则说明存在PID 错。（LSb） （MSb） PID0PID1PID2PID3PID0PID1PID2PID32.3 USB 的传输结构的传输结构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

29、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 2.3.1 所示：SETUPACKDATA0空闲标记数据握手空闲主机功能部件图 2.3.1 控制传输结构示意图安徽工程大学毕业论文- 7 -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

30、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 2、批量传输、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 2.3.2 所示：空闲INACKDATA0/DATA1DATA0/DATA1OUT空闲NAKSTALL标记数据空闲ACKNAKSTALL握手数据出错数据出错主机功能部件图 2.3.2 批量传输结构示意图3 3、中断传输、中断传输中断传

31、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 2.3.3 所示：赵琼：基于单片机和 USB 接口的数据采集器系统设计- 8 -空闲INACKDATA0/DATA1DATA0/DATA1OUT空闲NAKSTALL标记数据空闲ACKNAKSTALL握手数据出错数据出错主机功能部件图 2.3.3 中断传输结构示意图4 4、同步传输、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

32、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 2.3.4 所示：INOUTDATA0/DATA0标记数据空闲空闲图 2.3.4 同步传输结构示意图2.42.4 USB 总线枚举过程总线枚举过程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 总线安徽工程大学毕业论文- 9 -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

33、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

34、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

35、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址和配置信息在内的所有的内部状态赵琼：基于单片机和 USB 接口的数据采集器系统设计- 10 -2.52.5 USB 的设备描述符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

36、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 2.5.1 所示：设备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点描述符接口描述符端点描述符端点描述符端点描述符端点描述符端点描述符图 2.5.1 描述符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

37、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_Descriptor 请求直接获取接口描述符。接口描述符由

38、 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。安徽工程大学毕业论文- 11 -2.62.6 USB 请求请求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

39、没有给设备分配一个地址或者没有配置设备。某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 2.6.1 所示。表 2.6.1 SETUP 包格式大小（B）11222域bmRequestTypebRequestw

40、ValuewIndexwLength在表 2.4.5.1 中，bmRequestType 表示设备请求类型，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

41、 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 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。赵琼：基于单片机和 USB 接口的数据采集器系统设计- 12 -第第 3 章章 数据采集系统的硬件设计数据采集系统的硬件设计3.13.1 硬件系统的结构硬件系统的结构基于 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 3.1.1 所示。主要包括 5 个组成部分：中央处理器选用 AT89C51

42、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、CRC 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USB2.0 协议。MCUUSB接口芯片PC机A/D转换器多路模拟

43、开关图 3.1.1 数据采集系统硬件组成框图3.23.2 芯片选择芯片选择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ALE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。

44、ADC0809的内部逻辑结构图如图3.2.1.1所示：安徽工程大学毕业论文- 13 -EOCD0D1D2D3D5D6D78路模拟量开关地址锁存与译码器8路A/D转换器ST CLKVREF(+)VREF(-)三态输出锁存器D4OE图3.2.1.1 ADC0809的内部逻辑结构通道选择表如下表所示。表3.2.1.1 通道选择表CBA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ST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

45、。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。赵琼：基于单片机和 USB 接口的数据采集器系统设计- 14 -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 。EOC: EOC为转换结束信号,当EOC为

46、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）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换

47、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。AT89C51引脚图如图3.2.2.1所示：安徽工程大学毕业论文- 15 -

48、1234567812345678123456781234567812345678a1a2a3a4b1b2b3b4Vcc10a1a2a3a4b1b2b3b4a1a2a3a4b1b2b3b4a1a2a3a4b1b2b3b4a1a2a3a4b1b2b3b4GND0AT89C51RST（XTAL2XTAL1GNDVCC7(RD)P3.(WR)P3.6(T1)P3.5T0)P3.4(INT1)P3.3(INT0)P3.2(TXD)P3.1(RXD)P3.0P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.10P1.P2.0(A8)P2.1(A9)P2.2(A10)P2.3(A11)P2.4(A12)

49、P2.5(A13)P2.6(A14)P2.7(A15)PSENALE/PROGEA/VPPP0.7(AD7)P0.6(AD6)P0.5(AD5)P0.4(AD4)P0.3(AD3)P0.2(AD2)P0.1(AD1)P0.0(AD0)图 3.2.2.1 AT89C51 引脚图主要特性：(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赵琼：基于

50、单片机和 USB 接口的数据采集器系统设计- 16 -3.2.3 PDIUSBD12PDIUSBD12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时间风险以及费用，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

51、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SoftConnetTM、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

52、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 3.2.3.1 所示： 安徽工程大学毕业论文- 17 -3.3V1.5kD+模拟收发器电压调整器D+D-串行接口引擎位时钟恢复电路PLL锁相环6MHZ存储管理单元内部RAM并口和DMA接口图 3.2.3.1 PDIUSBD12 内部结构说明：1、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

53、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 USB 协议层，且完全由硬件实现而不需

54、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 上拉电阻集成在 PDIUSBD12 片内，默认状态下不与 VCC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

55、的 5%，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。赵琼：基

56、于单片机和 USB 接口的数据采集器系统设计- 18 -8、存储器管理单元（MMU）和集成 RAM：在以 12MB/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 看起来就像一个带位数据总线和一个地址（占用个位置）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

57、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，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

58、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，DMREQ 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。3.2.4X25045x25045 是美国 xicor 公司的生产的标准化 8 脚集成电路，它将 eeprom、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电

59、路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。x25045 引脚如图 3.2.4.1 所示。1234x250458765VCC RESETSCK SICSSOWPVSS图 3.2.4.1 x25045 引脚图其引脚功能如下：cs：片选择输入；so：串行输出，数据由此引脚逐位输出；si：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入 x25045；sck：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；安徽工程大学毕业论文- 19 -wp：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止；vss：地；vcc：电源电压；reset：复位输出。x25045 在读写操作之前，需要先向它发出指

60、令，指令名及指令格式如下表所示。表 3.2.4.1 x25045 指令及其含义指令名指令格式操作WREN00000110设置写使能锁存器（允许写操作）WRDI00000100复位写使能锁存器（禁止写操作）RDSR00000101读状态寄存器WRSR00000001写状态寄存器READ0000A8011把开始于所选地址的存储器中的数据读出WRITE0000A8010把数据写入开始于所选地址的存储器3.33.3 单片机最小系统单片机最小系统3.3.1 单片机的时钟电路时钟电路6用于产生单片机工作所需的时钟信号，单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作电路应在唯一的时钟信号控制下严格

61、的按规定时序工作。单片机内含振荡器电路但晶体振荡器和电容在片外由引脚 XTAL1 和 XTAL2 接入片内。XTAL1 为振荡器反相放大器和时钟发生电路的输入，XTAL2 为反相放大器的输出。当使用片内振荡器时片外振荡源和电容与 XTAL1 和 XTAL2 的接法如图 3.3.1 所示。当使用晶体谐振器时 C1、C2=（3010）pF，当使用陶瓷谐振器时 C1、C2=（4010）pF。C1 和 C2 虽然没有严格的要求但电容的大小影响振荡器电路的稳定性和快速性通常选在 20pF 到 30pF。在设计电路板时晶振和电容等应尽可能的靠近芯片以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。赵琼：基于单片机和

62、 USB 接口的数据采集器系统设计- 20 -XTAL2XTAL1GND图 3.3.1 时钟电路3.3.2 单片机的复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把 PC 初始化为 0000H 使单片机从0000H 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境也需要按复位键以重新启动。在振荡器工作时将 RST 脚保持至少两个机器周期高电平，12 时钟模式为 24 个振荡器周期，6 时钟模式为 12 振荡器周期可实现复位，为了保证上电复位的可靠 RST 保持高电平的时间至少为振荡器启动时间，通常为几个毫秒再加上两个机器周期，复位后

63、振荡器以 12 时钟模式运行，当已通过并行编程器设置为 6 时钟模式时除外。单片机在 RESET 为高电平控制下程序计数器（PC）和特殊功能寄存器的复位如表32 所示。单片机的复位并不影响芯片内部 RAM 状态只要 RESET 引脚保持高电平单片机将循环复位。在复位有效期间内 ALEPSEN 将输出高电平。表 3.3.2.1 复位后寄存器状态7寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0P30FFHSCON00HIP000000BSBUF不定IE000000

64、0PCON00000单片机的复位电路有上电复位和手动按钮复位两种形式，RST/VPD 端的高电平直接由上电瞬间产生高电平则为上电复位；若通过按钮产生高电平复位信号称为手动按钮复位。图 3-4 为兼有上电复位与按钮复位的电路。图中上电瞬间 RST 端的电位与Vcc 相同随着电容充电电流的减小，+5V 立即加到了 RST/VPD 端该高电平使 8051 复位。 若运行过程中需要程序从头开始执行这只需按图 3-4 中的按钮即可。按下按钮则直接把+5V 加到了 RST/VPD 端从而复位这称为手动复位。 在实际应用系统中有些外围芯片也需要复位，如果这些复位端的复位电平要求与安徽工程大学毕业论文- 21

65、 -单片机的要求一致则可以与之相连。 单片机复位后 P0P3 四个并行接口全为高电平其它寄存器全部清零只有 SBUF 寄存器状态不确定。通过 MCS-51 单片机的复位引脚 RST 引脚加上持续两个机器周期(即 24 个振荡周期)的高电平即可使器件复位，只要 RST 一直保持高电平那么 CPU 就一直处于复位状态。当 RST 由高变低后复位结束，CPU 从初始状态开始工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，手动按键复位如图 3-4 所示。 在本次设计中采用手动复位。VCCVCCRSTR1 1K22RSTGNDAT89C51R2 200图 3.3.2.1 手动复位电路3.43.4 电源电路电源电

66、路系统电源部分电气原理图如图 3.4.1 所示。市电 220V 经过变压器 T1 变压为 9V交流电压 通过 4 只二极管 1N4004 全桥整流，再经过电容 C 滤波后得到光滑的直流电压 经过三端稳压 7805 稳压后得到稳定的+5V 电压给各器件供电。5V 电压再通过LM1117-3.3 芯片得到 3.3V 电压给 PDIUSBD12 供电。220V220V9VT11234D1D4IN4007*4R13.9KLED1+C11000F25VC20.01IN+5VGND127805C30.01F3C4220F16V+5VC510FINOUTGNDLM1117-3.3+3.3VC610F图 3.4.1 电源电路3.53.5 看门狗电路看门狗电路在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系赵琼：基于单片机和 USB 接口的数据采集器系统设计- 22 -统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单