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1、本科生毕业论文目录第1章绪论11.1概述11.1.1课题研究目的11.1.2国内外发展状况11.2USB接口及USB器件分析21.3系统方案设计41.4预期实现目标4第2章USB概述及协议62.1USB体系结构概述62.1.1USB系统描述62.1.2USB连接头及其供电方式82.1.3USB系统软硬件组成82.2USB编码方式与传输类型92.2.1USB的编码方式92.2.2USB传输92.3USB设备请求122.3.1USB标准请求格式122.3.2USB标准请求命令122.4USB设备的描述符132.4.1设备描述符132.4.2配置描述符142.4.3接口描述符142.4.4端点描述符
2、162.4.5字符串描述162.5总线协议192.6USB的枚举过程192.7USB主机接口及系统的功能202.8本章小结21第3章硬件特性及电路设计223.1单片机8051介绍223.2PDIUSBD12器件与微控制器的连接243.2.1PDIUSBD12功能描述243.2.2PDIUSBD12管脚配置243.2.3单片机与PDIUSBD12的连接253.3系统硬件设计263.3.1单片机电路设计263.3.2外围电路设计273.4本章小结29第4章程序设计及调试304.1概述304.1.1集成开发环境Keil简介304.1.2程序概述304.2固件程序344.2.1固件程序组成344.2.
3、2PDIUSBD12的底层操作354.2.3PDIUSBDI2命令接口程序364.2.4PDIUSBDI2的中断服务程序374.2.5主程序424.3程序调试454.3.1Keil编译器的使用454.3.2系统调试484.4本章小结51结论52参考文献53致谢54附录55附录1电路原理图55附录2PCB图56第1章绪论1.1概述1.1.1课题研究目的随着电子科技的发展与应用，各种计算机外围接口不断推陈出新，USB接口已经成为现今个人计算机上最重要的接口之一，各种电子消费产品也逐渐配置这种接口。USB接口是速度比较高的串行接口，具有较广阔的发展前景和应用潜力。USB适用于低档外设与主机之间的高速
4、数据传输。从USB问世至今，USB在不断的自我完善，并走向成熟。从普通计算机用户、计算机工程师、到硬件芯片生产厂商，都已经完全认可了USB。传统的设备主要是基于RS-232的串行接口，随着计算机速度的提升，已经明显不能适应发展的需要。不仅是速度上比较慢，而且由于其不支持热插拔。而USB接口由于支持热插拔，占有较少的系统软件硬件资源，厂商对于USB的硬件软件的支持也越来越完备，现在开发一个USB外设产品所需要的成本和时间大大降低了。USB技术取得了迅速的发展。单片机作为最典型的嵌入式系统，推动了嵌入式系统的发展，成为现代电子系统中重要的智能化器件。因此，USB I/O外围设备的设计已成为电子领域
5、的主要技术之一1。本课题就是利用单片机设计一个功能简单的嵌入式USB外设，将其与PC机连接，通过USB接口实现PC机与外设之间的相互通信。1.1.2国内外发展状况1994年，Intel，Compaq，Digital，IBM，Microsoft，NEC，Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司成立了USB论坛，花了近两年的时间形成了统一的意见，于1995年11月正式制定了USB 0.9通用串行总线(Universal Serial Bus)规范。在1996年，一些规模型经营的公司，他们的PC机、监视器，开始配备了USB接口。原有的所有接口和插槽依然保留，只增加一个USB接
6、插件，其目的是为了在扩展新的用途时使用。直到1997年，真正符合USB技术标准的外设才开始出现。直至Windows98推出之前，推出的USB功能模块并不多，原因除了因为传统的通信接口，如RS232，IEEE488等，一时难以退出应用领域外，一些早期的USB应用探索者步履艰难，抱怨的主因是宿主平台的实用性。Windows98对USB驱动软件（USBD）完善，使其可提供对USB的强有力的支持，对USB技术的发展起到重要推进作用。自此，市场上涌现出大批的USB产品。USB1.0是目前推出的在支持USB的计算机与外设上普遍采用的标准。目前普遍采用的USB1协议主要应用在中低速外围设备上，它提供的传输速
7、度有低速1.5Mbps和全速12Mbps两种。可分别支持显示器、Modem、鼠标、键盘、扫描仪、打印机、光驱及大范围的多媒体设备。从国外的发展来看，人们对USB有着极大的重视程度，这从USB规范的改进速度之快及国际市场上基于USB的产品普及的范围可见一斑。从1994年公布V1.0FDR版本，短短一年时间版本增订了五次。说明技术人员正大力研究改善USB的性能。市场上基于USB的外设己囊括了所有的数字产品。可见国外在这方面已作了很多工作，并且目前也正以很快的速度发展2。 国内对于USB的研究在这几年才刚刚起步。市场上也可以见到各种USB产品，也有少量的专门讨论USB开发的国内网站。比较专业的稳定的
8、网站有USB开发网（），但因为在前几年还很少有人做这方面的工作，所以在相关网站上开发USB的文章量少，更新速度慢；国内知名高校的BBS（比如水木华:)，上面相关的文章询问USB的人多，但回答问题的人仅限于几个。对USB芯片进行开发、技术服务和应用方案设计的公司更是寥寥无几。虽然在网上做调研所得到的信息并不完全，但由此可以看出国内对USB技术研究的需求及欠缺。1.2USB接口及USB器件分析USB（Universal Serial Bus通用串行总线），是一种快速、灵活的总线接口。与其它通信接口比较，USB接口的最大特点是易于使用，这也是USB的主要设计目标。作为一种高速总线接口，USB适用于多
9、种设备，如数码相机、MP3播放机、高速数据采集设备等。易于使用还表现在USB接口支持热插拔，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预。USB接口支持1.5Mb/s（低速）和12Mb/s（全速）的数据传输速率，扣除用于总线状态、控制和错误监测等的数据传输，USB的最大理论传输速率仍达1.2Mb/s或9.6Mb/s，远高于一般的串行总线接口。USB接口芯片价格低廉，这也大大促进USB设备的开发与应用。在进行一个USB设备开发之前，首先要根据具体使用要求选择合适的USB控制器。目前，市场上供应的USB控制器主要有两种：带USB接口的单片机（MCU）或纯粹的USB接口芯片。带USB接口的单片机
10、从应用上又可以分成两类，一类是从底层设计专用于USB控制的单片机，另一类是增加了USB接口的普通单片机，如Cypress公司的EZUSB（基于8051），选择这类USB控制器的最大好处在于开发者对系统结构和指令集非常熟悉，开发工具简单，但对于简单或低成本系统。其价格因素也是在实际选择过程中需要考虑的因素。纯粹的USB接口芯片仅处理USB通信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。这类典型产品有Philips公司的PDIUSBD12（并行接口），NS公司USBN9603/9604（并行接口），NetChip公司的NET2888等。USB接口芯片的主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高，
11、尤其适合于产品的改型设计（硬件上仅需对并行总线和中断进行改动，软件则需要增加微处理器的USB中断处理和数据交换程序，PC机的USB接口通信程序，无需对原有产品系统结构作很大的改动）2。PDIUSBD12是在USB协议设备端使用最多的芯片之一。此芯片是带有并行总线的全速USB接口器件，可与任何微控制器实现高速并行接口（2Mb/s），并用于许多外设。这种实现USB接口的标准组件，可以使设计者在不同类型的微控制器中选择最合适的微控制器，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设备，它具有以下特性：1、符合USB1.0版规范；2、高性能USB接口器件，集成了SIE, FI
12、FO存储器，收发器以及电压调整器；3、可以与任何外部微控制器/微处理起实现高速并行接（2MB/s）；4、集成320B多结构的FIFO存储器；5、完全自治的直接内存存取（DMA）操作；6、可以通过软件控制与USB的连接；7、采用GoodLink技术的连接指示器，在通信时使LED闪烁；8、可编程的时钟频率输出；9、多中断模式实现批量和同步传输3。1.3系统方案设计以单片机原理，硬件资源的功能应用，PDIUSBD12芯片功能与接口设计，USB1.0协议等理论知识为基础，设计出完整的系统原理图。根据原理图，将硬件系统资源焊接成PCB板。根据系统功能，设计编写固件程序，下载后进行调试，实验板在单片机控制
13、下能单独工作后，然后和上位机进行联机调试，通过USB接口实现与上位机的相互通信。本课题涉及的理论知识主要是USB1.0协议，重点在于硬件设计，难点在于编程和整机的调试。经过论证，在实现设计要求的前提下，为了降低系统的成本，选用接口级芯片PDIUSBD12，控制器选取8051，它有64k的存储容量，对于固件程序已经足够使用了；而且这款单片机支持在线编程，通过串口下载程序，这给程序的下载和使用带来来方便。程序设计采用C语言进行编程，软件仿真采用Keil C51。1.4预期实现目标通过硬件电路和驱动程序（包括设备端和上位机端的驱动程序）实现以下目的：1、保证电路连接的正确性和可行性。完成以单片机与U
14、SB接口芯片为主要芯片的电路板；2、完成程序的编写，主要是设备端的固件编程；3、通过硬件调试，单片机能独立控制电路板上元件工作；4、实现电路板与上位PC机双向传输。这需要与上位机进行联机调试，主要在软件部分实现。第2章USB概述及协议USB以USB主机为核心，以外围的USB设备为功能，组成了USB系统模型。主机是USB的核心，每次USB数据通信都必须是由USB主机来发起的，主机管理着USB设备。USB物理上是一个含有两条电源线（VCC，GND）和两条以差分方式产生信号的线（D+，D-），传输率可达12Mbps的串行接口，一个PC主机可以连接多达127个外围设备。USB协议是以令牌包为主的通信协
15、议，12Mbps的总线带宽被分割成1ms的帧，所有任务以时分传输（TDM）来分享总线。2.1USB体系结构概述2.1.1USB系统描述一个USB系统主要被定义为三个部分： USB的互连； USB的设备； USB的主机。 USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面： 总线的拓扑结构：USB设备与主机之间的各种连接方式； 内部层次关系：根据性能叠置，USB的任务被分配到系统的每一个层次； 数据流模式：描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式；USB的调度：USB提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度以支持同步数据传输，并且避免的优先级判别的开销。USB连接了USB设备和USB主机，USB的物理连接是有层次性的星型结构。每个网络集线器是在星型的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能部件，或从集线器到集线器或其功能
