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1、 采用USB接口的高速数据采集器硬件设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学
2、校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 1 绪论1.1 课题的提出及意义在工业生产和科研的各行业，常常利用PC或工控机对各种数据进行采集这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。现在常用的采集方式是数据采集板卡，常用的有422、485等总线板卡。采用板卡不仅安装麻烦，容易受机箱内环境的干扰，而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制不可能挂接很多设备。在目前PC的IO模式中，外围设备通常被映射为CPU的
3、IO地址，并且被分配一个指定的IRQ(中断请求)，在某些情况下也可以是一个DMA通道。这种地址分配的方法已经成为一种标准，软件开发者要根据指定的设备进行访问。这给编程者带来了不便，同时消耗了PC的许多系统资源，使许多系统资源不可使用，并且产生了很多冲突，由此造成了很多问题。根据调查显示，70%的严重系统错误和系统崩溃是由硬件冲突引起的。通用串行总线(Universal Serial Bus，简称USB)的出现，很好的解决了以上这些问题。他不仅解决了I/O插口不够的问题，而且建立了一条连接和访问外设的方法。这些方法可以有效的减少总体成本，减少硬件冲突。因此，我们能够利用USB总线接口比较容易的实
4、现低成本、高可靠性的多点数据采集系统。这种采集系统由于采用了USB总线接口而具备了如下优点：1)设备安装和配置容易。USB设备支持即插即用，安装USB设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备，完全不用关闭计算机。所有USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置，不再占用中断资源或者DMA资源，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。USB为接缆和连接头提供了单一模型，解决了外设越来越多造成的插槽紧张问题。2)接口数目多，每个USB主机通过USB集线器，可以同时挂接最多127个外围设备，有效地解决了多点数据采集系统I/O口不够用的问题。3)数据传输速度比一般的串行总线(如RS232，RS485等)快，U
5、SB1.1标准的接口最快可以达到12Mbps，可以满足绝大多数多点数据采集系统的要求。在PC主机和采集系统都具备支持USB2.0标准的接口芯片时，最快可以达到480Mbps，可以满足高速数据采集系统的要求。4)有总线电源保护，系统连续3ms没有总线活动，USB自动进入刮起状态。1.2 课题研究状况USB在1995年被提出，并由Compaq、Digital Equipment Corp(现在属于Compaq)、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Northern Telecom七个计算机与通信工业领先的公司所组成的联盟所定义和加以推广。同一年，该联盟建立了实施者论坛(以下简称USB-
6、IF)来加速USB标淮的高质量兼容设备的开发。在1996年，USB-IF公布了USB规范1.0，这是第一个为所有的USB产品提出设计请求的标淮。1998年，在进一步对以前版本的标准进行阐述和扩充的基础上，发布了USB标准的1.1规范。第三个版本的USB2.0是发布于1999年。之后，随着USB的普及与推广，USB的成员一直持续不断地增加，如今已是非常庞大的推广组织了。历经8年的发展，USB技术已经非常成熟，也得到了lT业各硬件及件厂商的广泛支持。尤其是Microsoft公司在其WIN98之后的操作系统中加强了对USB的系统支持后，USB总线迅速发展起来。目前，USB总线的协议版本已经达到了2.
7、0，支持的最高速度达到了480Mbps，远远超过了一般并行总线的数据传输速度。随着USB总线的发展，USB总线接口在嵌入式系统以及个人电脑的外围设备中的应用发展非常迅速。计算机外围设备的市场上使用USB接口的数码相机、扫描仪、移动硬盘、鼠标、键盘等设备随处可见。但是USB接口在工业控制领域、数据采集系统以及只能仪器仪表中的应用还不多见。因此，我们提出了基于USB总线接口的数据采集系统。数据采集是信息科学的一个重要分支，是信息处理系统的最前端。它是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等作业，具有很强的实用性。在工业生
8、产和科学研究中经常需要对一些物理量进行采集，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在自动飞行控制和航天器的遥测、遥控中以及在国民经济的各个领域中，数据采集技术具有很重要的地位。随着大规模集成电路与计算机科学技术的发展，数据采集技术将在雷达、通信、水声、遥感、语音处理、智能仪器、工业自动化以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用。数据采集技术的发展是人机交互、状态监测、设备控制的基础。随着电子工业的发展，尤其是PC机的出现，大大地促进了工业自动化的程度，现在越来越多设备实现了自动控制和无人职守，而这一切又促进了数据采集技术的发展。在科学技术研究的各行各业中，常常利用PC机或工控机对各种数据进行
9、采集，如液位、温度、压力、频率等。1.3 本课题的主要内容本课题的内容按章节大致可以分为4个方面：(1) 了解基于USB接口的数据采集系统的研究背景，提出课题的研究意义，指出了用USB接口相较于其他接口的优势：易实现、成本低、快速、兼容性强。另外还指出了USB接口和数据采集系统的研究现状。(2) 具体地从USB系统组成、USB的传输、USB的数据单元、USB的设备请求等方面讨论了USBI.0、USB2.0、USBOTG协议。(3) 提出系统总体设计方案。对PC机与数据采集器的接口方式和USB控制芯片的选取进行了分析，并说明了选用USB 主控芯片PDIUSBD12和USB接口方式原因及其优势。同
10、时简单介绍了PDIUSBD12和单片机AT89C51的特性和功能。最后，阐述了数据采集器的设计实现。(4) 系统硬件电路设计。详细叙述别介绍低通滤波器电路、采样保持电路、AT89C51和PDIUSBD12连接电路、USB接口硬件设计。2 USB软件通信协议2.1 USB系统构成一个USB系统由以下几部分构成：主机和设备：是指USB系统中的主要构件；物理构成：是指USB元件的连接方法；逻辑构成：不同的USB元件所担当的角色和责任，以及从主机和设备的角度出发USB所呈现的结构；客户软件与设备功能接口的关系。整个USB系统通信模块具体的参考模型如图2.1所示图2.1通信模块具体的参考模型从图2.1中
11、可以看出USB通信的数据流结构。主机和设备被分成如图2.1所示的几层。实箭头表示主机上的实际通信，设备上的相应接口根据不同的仪器而不同。主机和设备间的通信最终发生在物理线路上，然而，在每一水平层之间存在着逻辑接口。主机中客户程序软件与设备功能间的通信代表了设备需求与设备能力之间的约定。其中USB系统软件是由主控制器驱动程序(HCD)、USB驱动程序(USBD)和主机软件组成。主控制器驱动程序能够更容易的将不同的主控制器设备影射到USB系统中，因此客户可以在不知其设备连接在那个主控制器的情况下与设备相互作用。HCD与USBD间的接口叫HCDI，特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系统定义。通用
12、主控制器驱动器(UHCD)处于软结构的最底层，由它来管理和控制主控制器。USB主控制器定义了一个标准硬件接口，以提供一个统一的主控制器可编程接口。UHCD实现了与USB主控制器通信和控制USB主控制器的一些细节，它对系统软件的其它部分是隐蔽的。系统软件中的更高层通过UHCD的软件接口与主控制器通信。USB驱动程序(USBD)位于UHCD之上，它提供驱动器级的接口，满足现有设备驱动器设计的要求。USBD所实现的准确细节随不同操作系统环境而有所不同，但USBD在不同操作系统环境下完成的是一样的工作。USBD以I/O请求包(IRPS)的形式提供数据传输构架，它由通过特定管道(PIPE)传输数据的需求
13、组成。客户软件位于软件结构的最高层，它负责处理特定USB设备的设备驱动器，客户程序层描述了所有直接作用于设备的软件入口。当设备被系统检测到时，这些客户程序将直接作用于外围硬件，这个共享的特性将USB系统软件置于客户和它的设备之间，也就是说，一个客户程序不能直接访问设备硬件，而是根据USBD在客户端形成的设备映像由客户程序对它进行处理。2.2 USB的数据传输方式虽然USB设备的软硬件会自动处理所有传输的细节，但是如果想要设计USB设备，我们仍然需要对接口的内部工作原理有相当程度的了解。每一次传输是由事务(transaction)所组成，每一笔事务都是由信息包(packet)所组成，每一个信息包
14、则是包含传输的信息。为了满足不同外设和用户的要求，USB提供了四种传输方式:控制传输(Control transfers)、块传输(Bulk transfers)、中断传输(Interrupt transrers)和等时传输(Isochronous transfers)。它们在数据格式、通信流方向、数据包容量限制、总线访问限制、所要求的数据顺序等方面有着各自不同的特征。控制传输主要用于命令、控制、状态操作(如获取设备的设备描述符，设置设备的USB地址等，可以通过控制传输来定义自己对设备的控制操作，设置采样参数、开始或停止采样等)，是由主机软件发起的请求/响应通信过程，具有突发性、非周期性的特点
15、，每个USB设备都必须有控制传输的通道。块传输主要用于完成主机和设备之间的大批量数据传输，这种传输方式可以利用任何可用的带宽进行传输，或可以延迟到有可利用的带宽时再进行传送数据。由于块传输在硬件级上对传输数据进行错误检测(若发生错误，它支持“重传”功能)，因此它能保证数据传输的可靠性。块传输支持两个方面的数据传输(即主机到设备和设备到主机)，适用于打印机、调制解调器等不定期传送大量数据的中速设备，具有非周期性和突发性强的特点。中断传输用来完成设备到主机的少量数据传输，它只支持设备到主机方向数据传输(中断传输与我们平常说的“中断”概念没有任何联系)，适用于人工输入设备。具有数据量小、非周期性、低频率、延时一定等特点。等时传输亦称同步传输，主要用于主机和设备与时间有关的信息传输，比如，实时数据的传输(如多媒体、音、视频数据)。同步传输不对传输数据进行错误检测，它主要保证数据的连续传输，适用于实时性要求比较高的场合，具有周期性、连续性的特点。这种传输类型保留了数据中时间压缩的概念，但并不意味着这一类数据传输都是实时的。在实际开发过程中，我们可以采用其中的一种或几种方式来设计我们的系统。2.3 USB的数据单元USB的通信结构一般是以同步域SYNC开始的，接
