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1、基于USB接口的温度传感器设计方案第1章 绪论1.1 设计理念与背景 基于USB接口的温度传感器，就是利用USB接口实现单片机技术的温度传感器与PC机之间通信的温度采集系统，以提高温度采集的准确度于精度。实现低成本、高可靠性、告诉的温度数据采集和传输。在工业生产、科研及医疗等需要严格进行温度控制的行业中，常常利用PC机对温度进行监控和处理，这就需要一种精度和自动化水平高、应用范围广的温度采集手段，这就为基于单片机技术的温度采集系统得到了普遍应用。这种温度采集系统可以根据主机命令通过传感器采集温度信号，并通过放大转换后经通讯接口上传至主机，以进一步的显示、分析和处理。温度采集系统由温度采集模块和
2、主机系统组成，之间通过总线接口进行通信。温度采集模块是以单片机及温度传感器为核心构成的智能系统，具有完整的 信号采集、放大、A/D转换、变换数据格式标准及执行上位机命令等功能。主机系统用来实现对温度采集模块的控制，进行温度数据的读取，同时提供人机交互界面，实现对温度数据的显示、分析和处理等功能。而要实现主机系统的功能，则需要通过总线接口将对温度采集模块所采集到的温度数据发送到主机系统来完成。随着现代工业生产和科学研究对温度数据采集的要求日益提高，传输速度、纠错能力和操作安装的简易性是人们在使用温度采集系统的过程中关注的目标，而数据通信技术则成为其中的关键技术。任何一种数据通讯技术都离不开接口，
3、温度采集系统采用何种接口进行通信是影响系统整体效率的重要因素之一。1.2 目前常用的总线接口（1）PCI PCI总线是Intel公司为Pentium处理器设计的一种新型标准总线，这种总线技术允许快速的内存，磁盘和视频访问。PCI总线结构的高传输速度限制了PCI接口的数量，一般只能有两到三个（通常用于图形和硬盘控制器）。最大传输速度为264Mbps（只能在基于Pentium处理器的系统中使用64位软件才能达到）。1.3 USB2 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第4页 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第3页USB,Universal Serial Bus（
4、通用串行总线），是一种新规格的快速、灵活的总线，是PC机和MAC记都支持的总线标准。在传统的个人电脑领域中，外围设备存在着许多问题，不管是ISA总线还是PCI总线，I/O地址冲突十分常见，都不能可靠地支持共享式中断。同时，这些大多数都是不可以随意插拔的，必须在开机前装好才能正常使用。事实上，这种接口使设备的连接毫无灵活性可言。USB正是作为克服这些困难的一种解决方案而出现的。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，还提供低速方式，速率为1.5Mbps。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
5、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，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。如图1所示。USB使用的是一种易于扩展的级联星形拓扑结构，通过使用USB Hub(USB集成器)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，可以使用多种连接方式进行扩展。复合设备主机根HUB设备设备HUBHUB设备设备设备设备图2.1 USB总线物理拓扑结构（4）使用灵活。U
6、SB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。在本系统中采用了控制传输和批量传输两种方式。（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。USB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。（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。1.4 国内外发展现状传统上，数据的采集系统与独立的机箱设备通过串口或 GPIB 接口与计算机
7、连接组成。随着基于计算机的测量技术的出现，数据采集设备可以通过PCI、ISA 或 PXI 连接到 PC 的数据总线。在 USB1.1 推出之前，支持 USB的功能模块并不多，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USB应用者因为平台的实用性不强而步履艰难。 随着 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。在 1999 年初，在Intel开发者论坛大会上，与会者介绍了USB2.0规范，该规范的支持者除原有的成员
8、外，又增加HP, Lucent 和PHILIPS 三个新成员。USB2.0 对 USB1.1 所规定的性能有所扩展，又向下兼容，数据的传输率将达到480Mbps。现在，越来越多的测量系统包含有通过USB总线连接的测量设备。2004 年 5 月，NI 公司发起了一波“传感器即插即用”(Sensors Plug&Play)行动，在针对灵巧的 TEDS (Transducer Electronic Data Sheet，传感器电子数据表) 传感器的IEEE 1451.4标准的基础上推出了一系列数据采集产品。通过采用传感器即插即用技术和新的USB数据采集设备， 工程师和科学家们可以创建一个从传感器到软
9、件的完整的即插即用数据采集系统。现在有许多厂商提供经过预先测试可以无缝地与传感器即插即用硬件共同工作的传感器，开发人员可以使用NI LabVIEW、Microsoft Visual Basic和C来开发软件应用，以迅速、方便地进行测量。随着 USB 数据采集设备继续减小体积和降低功耗， 它们也变得更加便携和经济。通过兼容传感器即插即用特性和多种扩展技术，NI 公司 USB 数据采集设备的功能更超越了它们自己本身。2006 年 VDC 公司一份关于数据采集发展趋势的研究表明，几乎半数受访者计划购买一件 USB数据采集设备。随着USB On-The-Go 和无线 USB等新技术的出现， 未来 US
10、B在测量和自动化领域的应用必定无可限量。1.5 课题的目标及意义 基于 USB 接口的温度采集系统，不仅仅是将 USB 接口用来传输数据，它需要依据 USB协议进行数据格式的转换； 底层硬件设备与操作系统之间需要以驱动程序为桥梁；驱动程序要实现与 Windows 系统底层核心机制相交互的功能。因此，研究 USB 接口技术的内核原理，掌握系统设备端 USB 接口设计和固件编程方法，及主机端设备驱动程序和应用程序的开发技术就成其关键。 本课题以研究基于 USB接口温度采集系统的开发和应用为主要目的， 在深入分析研究 USB 协议和设备构架的基础上，对基于 USB 接口的温度采集系统进行硬件设计和软
11、件编程。使温度采集模块采集来的数据通过 USB 接口传送到主机系统，使客户应用程序通过驱动程序得到数据，并根据需要对数据进行处理。意义在于深入研究USB接口技术的内核，掌握温度采集系统的硬件设计、固件程序、驱动程序及应用程序的开发等关键技术，积累设备开发经验，为今后温度采集系统更好地应用奠定基础。第2章 硬件设计2.1 基于USB接口的温度传感器的工作原理2.1.1 工作原理图图2.2 基于USB接口的温度传感器2.1.2 工作原理首先由DS18B20单总线温度传感器采集温度，通过单片机，经单片机驱动程序将温度信号送入PDIUSBD12芯片及外围设备，再由USB接口与PC机进行通信，并在PC机
12、上显示温度。系统总体框架由4 部分构成：温度采集器、USB接口、上位机驱动程序和上位机应用程序。温度采集器是一个智能单片机系统，它负责采集温度数据，并把从上位机发送的数据传输命令从USB接口接收后解析执行，再把数据值打包后通过 USB 接口发送到上位机等；USB接口负责把数据转换成 USB 协议要求的格式来传输；驱动程序负责在上位机应用程序和温度采集器专用代码之间的转换，把应用程序的数据通过USB接口发送到温度采集器，并把温度采集器传来的数据发送给应用程序；应用程序负责把用户的操作命令通知给驱动程序，并把温度采集器送来的温度数据通过驱动程序的转换显示给用户。我将在下面几节中介绍各硬件部分的功能
13、。2.2 温度采集部分DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 2.2.1 DS18B20数字温度传感器的外形及引脚说明SOIC封装的DS18B20的引脚排列见图3，其引脚功能描述见表1。图2.3 TO-92封装和SOIC封装的DS18B20的引脚排列DS18B20采用3脚TO-92封装或8脚SOIC封装。图3是其采用3脚TO-92封装的底视图及8脚SOIC封装的引脚排列图。其中GND接地；VDD为电源端；DQ是数据输入/输出端；其余为空脚
14、。 序号名称引脚功能描述123GNDDQ数据输入/输出引脚VDD地信号开漏单总线接口引脚。当被用在寄生电源下，也可以向器件提供电源。可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时此引脚必须接地。2.2.2.DS18B20的性能及特点由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量 及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点，而且兼具如下几个性能：适应电压范围3.05.5 V，在寄生电源方式下可由数据线供电。独特的单线接口方式，DS8B20在与微处理器连接时，仅需要一根口线
15、即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。DS8B20在使用中，不需要任何外围元件，全部传感原件及转换电路集成在形如一只晶体管的集成电路内。测温范围：-55125，在-10+85时精度为0.5。可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.50.250.125和0.0625，可实现高精度测温。在9位分辨率时，最多在93.75ms内把温度转换为数字；12位分辨率时，最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。负压特性，电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作2.2.3 DS18B20工作过程及时序数器1提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随
