畢業設計]基于ｕｓｂ的高速數據采集卡的設計-wenkub

　

【正文】 置。所以通道設施比 USBD 命令設施所提供的數據傳輸服務更直接。接口的設置可使用缺省參數。在上述的請求執行的過程中，接口必須是空閑的。 （ 8）向設備發送與設備類有關的命令 USBD 的客戶，特別是特定類的和自適應的驅動器使用 USBD 提供的該種機制向設備送出一個或多個設備類命令。 （ 5）增加設備 USBDI 必須提供某種機制以便于當增加新的設備的時候，集成器驅動器能通知 USBD 并能取得該新 USB 設備的 USBD 標識。接口當前配置中的某一端口 (一個接口可能具有多個端口 )的通道句柄。所有存放在設備上的配置描述符，包括接口的所有其他可替換配置。 （ 4）取得當前配置參數 USBD 提供取得任何設備當前配置參數的描述符的功能。反映的端口狀態。另外接口的所有通道都能夠被重新設置或廢棄。 USBD 命令傳輸時并不需要 USB 設備是已被配置好。事件通知 服務 通道接口 命令接口 信息和流通道 配置管理 設備數據訪問 總線設備管理 能量控制 主機控制器驅動 主機控制器驅動 主機控制器 主機控制器 雖然標準通道經常用于完成一些客戶通過命令接口所傳遞的請求，但是它們不能由客戶直接訪問的。雖然通道的基本屬性不因通道的擁有者而改變，但在兩類不同客戶所擁有的通道之間還存在一定的差異： 為了讓 USB 系統能與新的設備進行通信，設備在剛連上總線時，設備的卻省地址必須是可用的。 圖 26給出了 USBD 的總體框架。 命令工具允許客戶配置和控制 USBD 操作同時配置及控制 USB 設備。從客戶的觀點來看，與客戶進行通信的 USBD 管理著所有連接著的 USB 設備。這些操作系統組件只能通過 USBD 來訪問 USB。收集狀態及一些活動的統計數字。管理主機與設備之間的標準控制流。一個客戶不能直接訪問設備的硬件。 (見圖 25) 在有些操作系統中，提供了額外的非 USB 系統軟件以支持設備的配置及設備驅動程序的加載。 USBD 提供 I/O 請求包 (I/O Request Packets)形式的數據傳輸，以某一特定通道來傳輸數據。 USB 驅動提供了基本的面向客戶的主機界面。 USB 系統有三個主要組成部份 : USB 系統與主機控制器之間的界面基于主機控制器的硬件特性。 USB 客戶 (Client) 其中， USB 總線接口處理電氣及協議層的互連。 圖 25 主機通信圖 主機在整個 USB 系統中是唯一的，它包括如下幾個層次。設備上對應的接口是基于不同實現的。這樣，設備和客戶軟件的設計者就可以只關心該設備與主機硬件的相互作用和主機軟件的相互 作用的細節問題。 邏輯設備 邏輯設備 邏輯設備 主機 復合設備 設備 設備 設備 設備 設備 設備 主機 HUB HUB 根 HUB 圖 22 USB邏 輯總線的拓撲 客戶軟件層與應用層的關系 USB 系統的物理上、邏輯上的拓樸結構反映了總線的共享性。這個邏輯關系如圖 22所示。圖中也標出了一個復合設備。許多不同功能的設備放在一起被看作一個整體，叫包。主機通過根 Hub 提供若干個連接點。 對可以使用的連接進行了調度以支持同步數據傳輸，并且避免的優先級判別的開銷。總線的拓撲結構： USB 設備與主機之間的各種連接方式； USB 的互連； 主機要 在功能部件使用前對其進行設置。集線控制器提供了接口寄存器用于與主機之間的通信，而且集線控制器允許主機對其特定狀態和控制命令進行設置，并監視和控制其端口。每個集線器的上游端口向主機方向進行連接。 只要可能， USB系統軟件就會使用目前的主機軟件接口來管理上述幾種方式。 .同步數據傳輸 。 .管理在主機和 USB 設備之間的數據流 。如下圖所示 (圖中的 NODE 代表 USB 設備 ): 圖 21 USB 體系圖 圖 21 USB 體系圖 USB主機可以看作是一個硬件、固件和軟件的結合體，是 USB 通信的中心。硬件設計主要解決的是 CY7C68013與單片機的接口電路的設計。 本文設計的基于 USB總線的數據采集系統正是充分地利用 了 USB 總線的上述優點，從而有效地解決了傳統數據采集系統的缺陷。 5. 能夠采用總線供電。標準 USB電纜長度為 3米 (低速為 5米 )。 25500Mb/s 音頻、磁盤 高帶寬、限定延遲、易用性 2. 支持熱插拔和即插即用。 1020kb/s 鍵盤、鼠標、游戲棒 低價格、熱插拔、易用性 中速 如表 11 所示。現在生產的 PC 機幾乎都配備了， USB接口， Microsoft 的 windows98， NT 以及 MacOS， Linux， FreeBSD等流行操作系統都增加了對 USB的支持。盡管目前USB 接口的應用主要集中在電腦的周邊外設，但是 USB 產品進入工控領域將是必然的趨勢。驅動程序以 WDM為模型，以 DDK為開發工具，以 IRP為消息傳播載體，來 實現與 Windows系統底層核心機制相交互的功能。 信息技術與電子技術的迅猛發展，使得計算機和外圍設備也得 到飛速發展和應用。第一章 緒論 課題背景 隨著數字化的廣泛應用，數據采集也越來越重要，傳統的外設與主機的通信口一般采用 ISA、 PCI、 C PCI、 1394等標準，基于這些接口的產品，安裝麻煩，價格昂貴，并受計算機插槽數量、地址中斷資源限制，且可擴展性差， USB的出現，很好地解決了以上問題。過去人們單純追求計算機與外設之間的傳輸速度，現在糾錯能力和操作安裝的簡易性也成為人們關注的目標。 盡管 RS232 是一種十分成熟且應用廣泛的通訊方式，但是隨著控制系統的 日益復雜，所要采集的量也會越來越多。 采用 Cypress 公司的 CY7C68013 芯片和 89C51 單片機設計的基于 USB總線的數據采集系統，具有可靠性高、數據不丟失、抗干擾性強、便于數據傳輸和處理等優點，可在信號測試、信號采集場合廣泛使用。 USB 的主要特點如下 : 1. 速度快。新推出的 協議提供最高達 480Mbps 的數據傳輸速率可以適應各種不同類型的外設。電話、音頻、壓縮視頻 所有的 USB 設備可以隨時的插入和拔離系統， USB 主機能夠動態的識別設備的狀態，并自動給接入 的設備分配地址和配置參數，添加、刪除設備完全不用關閉計算機，也不必像過去那樣需要手動跳線和撥碼開關來設置新的外設。通過 Hub或中繼器可以使外設距離達到 30米。 普通使用串口、并口的設備都需要單獨的供電系統，而 USB設備則不需要，因為 USB接口提供了內置電 源 e USB電源能向低壓設備提供最大 5V， 500mA 的電源，從而降 低 了這些設備的成本并提高了性價比。很方便地就能夠實現低成本、高可靠性、實時的數據采 集，適用于對瞬態信號進行采集和處理。 軟件設計可分為三部分 :一是充分了解 D12的主要功能特點，為滿足 CY7C68013在 USB上的最大傳輸速率而編寫固件程序，用 C51語言編 寫 :二是在充分了解 WDM驅動程序的基礎上編寫 USB的設備驅動 程序 ； 三是編寫出界面友好、具有強大 的數據處理和分析能力的應用 程序。它控制和分時連接各個器件，是唯一可利用系統資源的部件。 .收集狀態和動作信息 。 .異步數據傳輸 。 USB集線器，可讓不同性質的設備連接在 USB 上，連接點稱作端口。每個集線器的下游端口允許連接另外的集線器或功能部件，集線器可檢測每個下游端口的設備的安裝或拆卸，并可對下游端口的設備分配能源，每個下游端口都具有獨立的能 力，不論高速或低速設備均可連接。 USB設備是帶有 USB 接口并可以完成特定功能的外設，它通過 USB 總線進行發送接收數據和控制信息，用一根電纜連接在集線器的 某個端口上。設置信息包括 USB 帶寬分配，選擇設備的設 置信息等。 USB 的設備； 內部層次關系：根據性能疊置， USB 的任務被分配到系統的每一個層次； 總線拓樸結構包括四個重要的組成部分 。物理拓樸結構：描述 USB 系統中的各組成部分是如何連接起來的。客戶軟件層與應用層的關系：描述從客戶軟件層看到的應用層的情況，以及從應用層看到的客戶軟件層的情況。為了防止環狀連接，采用星形連接來體現層次性，如圖 45。例如，鍵盤和軌跡球可以被視作一個整體，在它的內部，提供具體功能的設備被永久地接到 Hub上，而這個 Hub被接到 USB上。 總線邏輯拓樸結構。與之對應的物理結構就是圖 21中的結構。操縱 USB應用設備的客戶軟件只關心設備上與它相關的接口，客戶軟件必須通過USB 軟件編程接口來操縱應用設備。圖 23 說明了在圖 22 的邏輯結構下，一個設備設計者看到的客戶軟件與相應應用的關系的視圖。在主機與設備之間的所有通信最終都是通過 USB 的電纜進行，然而，在上層的水 平層之間存在邏輯的主機 設備信息流。 從互連的角度看， USB設備和 USB 主機都提供類似的 USB 總線接口，如串行接口引擎。 USB 系統層相對于主機控制器而言，處理的是以客戶觀點見到的數據傳輸及客戶與設備的交互。主機控制器驅動 在 HCD 與 USB 之間的接口稱為主機控制器驅動接口 (Host Controller Driver Interface 通道，代表相應層之間連接的抽象 USB 系統 硬件定義 客戶（管理界面） 硬件定義 IRPS 配置信 息 USB 驅動器 主機軟件 主機控制器驅動 主機控制器 SIE 通道組（到某一接口） 標準通道（到缺省端口地址） USB 電纜 HCDI)。另外， USBD 為它的客戶提供一個容易被支配及配置的抽象的設備。在這樣的操作系統中，設備驅動程序應使用提供的主機軟件接口而不是直接訪問 USBDI。 總而言之，主機可提供如下的功能： USBD 的具體實現基于不同的操作系統。 1. USBD 概況 USBD 的客戶直接命令設備或從通道直接輸入和輸出數據流。命令工具提供了對設備標準通道的所有訪問。 圖 26 USB 驅動結構 (1) USBD 初始化 具體的 USBD 初始化工作是與操作系統有關的。在設備的初始化期間，設備的缺省地址被修改成一個唯一的地址。標準通道 他們由 USBD 擁有和管理。 (3) USBD 服務功能 USBD 提供如下種類的服務： 狀態報告及錯誤恢復 2. USBD 命令工具功能 USBD 命令工具允許客戶訪問設備。 USBD 提供的設備配置設施大部分使用是用命令傳輸。 （ 2）通道狀態控制 USBD 通道 狀態由兩部份組成 通道狀態值總是包含上述兩部份。如果設備沒有被配置，則不返回描述符。 USBD 的任務包括分配設備地址并且為設備準備使 用的標準通道。 （ 9）向設備發送特殊的廠商定義的命令 客戶使用 USBDI 提供的該種機制向設備送出一到多個廠商定義的命令。 （ 11）創建設備配置 配置軟件向 USBD 提出進行設備配置的請求時提供一個包含配置信息的數據緩沖區。 （ 12）設置描述符 對于支持該項行為的設備， USBDI允許升級設 備上的描述符或者增加新的描述符。通道設施不允許訪問設備的標準通道。 客戶為輸出的通 道提供一個滿的數據緩沖區，并且在請求完成以后取得傳輸狀態信息。 根據所支持的數據傳輸類型， USBD共有四種通道類型 :控制傳 輸、同步數據傳輸、中斷傳輸、塊傳輸。最上層的功能由串行總線設備提供，比如鼠標，或 ISDN 接口。 當主機探測到連接操作后，會使得所連的集線器端口生效，設備也會因此而復位，一個被復位了的 USB 設備有如下特性： 2. 地址分配 當 USB 設備連接以后，由主機負責給此設備分配一個唯一的地址，這個操作是在設備復位及端口使能操作以后。 只須一個簡單配置，