基于單片機和usb接口的數據采集系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 線復位命令，端點 0 就是可訪問的了。除缺省控制通道的缺省端點外，其他端點只有在設備被設置后才可使用。USB 通道USB 通道是設備上的端點和主機上的軟件之間的聯系，體現了主機上緩存和端點間傳送數據的能力。USB 有兩個不同且互斥的通道通信格式：? 流：指不具有 USB 定義的格式的數據流。? 消息：指具有某種 USB 定義的格式的數據流。USB 不解釋在通道中傳送的數據的內容。消息通道要求數據組織成 USB 定義的格式，但它的內容，USB 是不管的 USB 總線協議層 位定序數據位被發送到總線的時候，首先最低有效位，跟著是下一個最低有效位，最后是最高有效位 同步字段所有的包都是從同步字段開始的，同步字段是產生最大的邊緣轉換密度的編碼序列。同步字段作為空閑狀態出現在總線上，通過被定義為 8 位長的二進制串，輸入電路以本地時鐘對齊輸入數據。同步字段的最后 2 位是同步字段結束的記號，并且標志了包標識符的開始趙瓊：基于單片機和 USB 接口的數據采集器系統設計 6 包標識符所有 USB 包的同步字段后都緊跟著包標識符（PID） 。如圖 所示，PID 由 4 位的包類型字段和其后的 4 位的校驗字段構成。PID 指出了包的類型，并由此隱含地指出了包的格式和包上所用錯誤檢測的類型。PID 的 4 位的校驗字段可以保證 PID 譯碼的可靠性，這樣包的余項也就能被正確地解釋。PID 的校驗字段通過求包類型字段的二進制反碼產生。如果 4 個 PID 檢驗位不是它們的各自的包標識符位的補，則說明存在PID 錯。（LSb ） （MSb） PID0 PID1 PID2 PID3 PID0 PID1 PID2 PID3 USB 的傳輸結構USB 的傳輸結構描述的是各個類型 USB 傳輸的時序、數據包和特征。下面分別介紹一下 4 種 USB 傳輸類型的傳輸結構：控制傳輸控制傳輸用于在設備初次連接時對器件進行配置，以及對設備的狀態進行實時檢測，還有在設備配置完成后用于特殊傳輸目的。端點 0 只可以采用控制傳送的方式。每一個控制傳輸都必須有設置與狀態階段，數據階段則是選擇性的?？刂苽鬏數脑O置事務傳輸結構如圖 所示：S E T U PA C KD A T A 0空閑標記數據握手空閑主機功能部件圖 控制傳輸結構示意圖安徽工程大學畢業論文 7 控制傳送的數據階段，由一個以上的輸入或輸出事務構成，遵守和批處理傳送相同的協議規則。所有的數據階段里的事務都必須有相同的方向（即全部輸入或全部輸出） 。在數據項中要發送的數據的數量和其方向在建立階段被指定。如果數據的數量超過了先前確定的數據包的大小，數據在支持最大的包大小的多個事務中被發送（輸入或輸出） 。任何剩下的數據都作為剩余在最后的事務中被發送。批量傳輸批量傳輸包含一個或者多個傳輸事務，其傳輸是單方向的，即所有的事務都必須是輸入或輸出事務。如果需要雙向傳數據，需要另建立一個管道。批量傳輸的傳輸結構如圖 所示：空閑I NA C KD A T A 0 /D A T A 1D A T A 0 /D A T A 1O U T空閑N A K S T A L L標記數據空閑A C KN A K S T A L L握手數據出錯數據出錯主機 功能部件圖 批量傳輸結構示意圖中斷傳輸中斷傳輸適用于小批量的、點式、非連續的數據傳輸應用的場合。中斷傳輸必須在指定的時間內完成，它一般應用于鼠標、鍵盤、游戲桿等 HID（Human Interface Device）類設備以及集線器的狀態報表中。中斷傳輸的傳輸結構如圖 所示：趙瓊：基于單片機和 USB 接口的數據采集器系統設計 8 空閑I NA C KD A T A 0 /D A T A 1D A T A 0 /D A T A 1O U T空閑N A K S T A L L標記數據空閑A C KN A K S T A L L握手數據出錯數據出錯主機 功能部件圖 中斷傳輸結構示意圖同步傳輸同步傳輸的意義在于每一個幀或者微幀內必須傳輸固定數目的字節數據，它適用于固定速度或者特定時間的傳輸。同步傳輸沒有聯絡階段，所以不能保證傳輸的完全可靠性。同步傳輸的傳輸結構如圖 所示：I N O U TD A T A 0 / D A T A 0標記數據空閑空閑圖 同步傳輸結構示意圖 USB 總線枚舉過程USB 規范定義的設備狀態總共有 6 個，分別是連接（Attached） 、上電（Powered） 、默認（Default ） 、地址（Address） 、配置（Configured）和掛起（Suspend） 。USB 總線安徽工程大學畢業論文 9 枚舉過程中，USB 設備需要經歷后 4 種狀態。USB 集線器負責監測設備的連接情況，而 USB 主機會通過集線器輪詢地查詢設備。當主機發現一個新的設備時，會要求集線器建立與設備的通信通道，即設備的端點 0，控制傳輸端點。之后，主機會通過此通道向設備發送一系列的標準 USB 請求以獲取所需的信息，設備必須響應這些請求并且采取適當的動作。這個過程即稱為 USB 的總線枚舉?？偩€枚舉的過程如下：① 設備連接USB 設備通過 USB 總線與主機相連。② 設備上電USB 設備可以采用 USB 總線供電，也可以使用外部電源供電。③ 主機檢測到設備，進行復位設備連接到總線后，主機通過檢測設備在差分信號線的上拉電阻檢測到有新的設備連接，并獲釋該設備是全速設備還是低速設備，如果上拉電阻與 D+線相連，則為全速設備，如果上拉電阻與 D－線相連，則為低速設備，主機確認有設備連接后，向該端口發送一個復位信號。④ 設備默認狀態設備收到一個復位信號后，連接到主機的所有設備的地址為默認地址（00H ） ，主機會首先發送一個獲取設備描述符的請求，設備通過這個默認地址向主機發送第一次設備描述符。⑤ 地址分配當主機接收到有設備對默認地址（00H）來響應的時候，就確認有設備連接，主機對設備分配一個空閑的地址（如 02H） ，以后設備就只對 02H 地址進行響應。⑥ 讀取 USB 設備描述符主機分配給設備地址后，通過這個地址主機讀取該設備描述符，確認 USB 設備的屬性。⑦ 設備配置主機依照讀取的 USB 設備描述符來進行配置，如果設備所需的 USB 資源得以滿足，主機就會查找驅動，當正確找到驅動后，主機給設備發送配置命令，配置完畢后，這個 USB 設備就枚舉成功了。⑧ 掛起為了節省電源，當總線保持空閑狀態超過3ms以后，設備驅動程序就會進入掛起狀態，在掛起狀態時，設備的消耗電流不超過500181。A 。當被掛起時，USB 設備保留了包括其地址和配置信息在內的所有的內部狀態趙瓊：基于單片機和 USB 接口的數據采集器系統設計 10 USB 的設備描述符標準的 USB 描述符包括設備（Device）描述符、配置（Configuration）描述符、接口（Interface）描述符、端點（Endpoint）描述符以及字符串（String）描述符，字符串描述符不是必須的。不同的描述符從不同的層級來表示設備的屬性。設備描述符包含了整個設備的信息以及設備支持的配置號碼，每一個設備只能由一個設備描述符。但每一個設備可以有幾個配置描述符，它包含了電源管理信息以及所支持的接口號碼。接口描述符包含了與端點通信所需要的信息，它可以有零個或多個端點描述符。各個描述符的樹狀結構如圖 所示：設備描述符配置描述符 配置描述符 配置描述符接口描述符 接口描述符端點描述符接口描述符端點描述符端點描述符端點描述符端點描述符端點描述符圖 描述符的樹狀結構設備描述符描述了一個 USB 設備的總體信息，它在枚舉過程中主機從設備讀取的第一個描述符。設備描述符總共有 18 個字節，分為 14 個字段。配置、接口以及端點描述符是在主機得到設備描述符之后發送給主機的。配置描述符描述了一個特定的設備配置信息，主機使用 Set_Configuration 請求來選擇一個配置，用 Get_Configuration 請求來返回一個配置。當主機請求獲取一個配置描述符的時候，與配置描述符相關的所有接口、端點描述符都會一并返回。配置描述符由 9 個字節組成，分為 8 個字段。接口描述符描述了一個配置中的特定接口。接口描述符總是作為配置描述符的一部分被返回，主機不能通過 Get_Descriptor 請求直接獲取接口描述符。接口描述符由 9個字節組成，分為 9 個字段。端點描述符包含了主機用來確定一個端點帶寬要求的信息。除了端點 0 外，一個接口所使用的每一個端點都有它自己的描述符。端點 0 不需要描述符，它也不能直接由 Get_Descriptor 請求來獲得。端點描述符由 7 個字節組成，分為 6 個字段。安徽工程大學畢業論文 11 USB 請求USB 規范定義了 3 種請求，分別是標準請求（Standard Request） 、類請求（Class Request）和廠商請求（Vendor Request） 。USB 規范定義了 11 種標準請求，所有設備都必須對這 11 種請求作出響應，即使當主機沒有給設備分配一個地址或者沒有配置設備。某些設備的功能類似或者提供類似的服務，USB 協議就將它們歸為一類，并且定義了特定的請求，稱為類請求。但是只有類請求是不能滿足眾多 USB 廠商的需求的，所以，USB 協議允許一個供應商為它的設備自定義特殊的請求，此類請求稱為廠商請求。所有的 USB 總線設備以缺省控制管道響應主機發出的請求，這些請求是通過控制傳輸來完成的，請求及請求的參數通過 Setup 包發向設備，由主機負責設置 Setup 包內的每個域的值。Setup 包格式如表 所示。表 SETUP 包格式大小（ B）1 1 2 2 2域 bmRequestTypebRequest wValue wIndex wLength在表 中，bmRequestType 表示設備請求類型，D7 ：數據傳輸方向， 0＝主機到設備，1＝設備到主機；D6…5：類型， 0＝標準，1＝類型，2＝廠商，3＝保留；D4…0：接收方，0＝設備，1＝接口，2＝端點， 3＝其它；4…31＝保留。bRequest 表示 USB 設備請求值，標準請求有 11 個命令。wValue 為值，它根據不同的請求，以字節來定義，例如，設備請求為 Get Descriptor(06H)，wValue 為 01H 時，表明要發送設備描述符。wLength 表示長度，如果傳輸的是一組數據，則這個長度的值表示要傳輸數據的字節數。本章介紹了 USB 協議的相關內容，包括 USB 傳輸要件，USB 傳輸中的事務、信息包和聯絡信號，USB 的傳輸結構，USB 的總線枚舉過程，USB 的設備描述符以及USB 請求。本章為本設計下面內容的展開奠定了基礎。趙瓊：基于單片機和 USB 接口的數據采集器系統設計 12 第 3 章 數據采集系統的硬件設計 硬件系統的結構基于 USB 總線的實時數據采集系統硬件組成包括模擬開關、A/D 轉換器、單片機、USB 接口芯片，該系統能夠實現 8 路數據自動采集，系統的組成框圖如圖 所示。主要包括 5 個組成部分：中央處理器選用 AT89C51 芯片，完成各部分控制功能和 USB傳輸協議；A/D 轉換器和接口電路主要完成數據采集，并讀入 MCU 處理；復位電路完成對 MCU 的上電復位和電源電壓監視；電源電路主要為各部分提供要求的電源；外設與主機間的通信電路采用 USB 接口。單片機通過８位并行接口傳送經過 A/D 轉換的采集數據，存儲在 FIFO 存儲器中。一旦存滿，串行接口引擎 SIE 立刻對數據進行處理，包括同步模式識別、并／串轉換、位填充/不填充、CRC 校驗、PID 確認、地址識別以及握手鑒定，處理完畢后數據由模擬收/發器通過 D+、D 發送至 PC。上述過程遵循 協議。MCUU S B接口芯片P C機A/D轉換器多路模擬開關圖 數據采集系統硬件組成框圖 芯片選擇 ADC0809ADC0809允許的最大時鐘頻率為1280kHz，主要管腳功能如下:地址輸入和控制線：4條 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B ，C 三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。A，B和C為地址輸入線，用于選通 IN0－IN7上的一路模擬量輸入。 ADC0809對輸入模擬量要求信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 ：安徽工程大學畢業論文 13 E O CD 0D 1D 2D 3D 5D 6D 78路模擬量開關地址鎖存與譯碼器8 路A / D轉換器S T C L K