基于usb總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 號處理電路就可實(shí)現(xiàn)。這在一定層次上縮小了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積，并降低了成本。圖 為該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖。 M C U 8 0 5 1 內(nèi) 核輸入數(shù)據(jù)C 8 0 5 1 F 3 2 0 U S B 電 纜U S B 控 制 器及 接 口P C 機(jī) 或筆 記 本 電 腦 圖 系統(tǒng)框圖 軟件系統(tǒng)的構(gòu)成 開發(fā)一個(gè) USB 設(shè)備，軟件設(shè)計(jì)是必不可少的。 USB 應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為三部分 :USB 外設(shè)端的單片機(jī)固件 (Firmware)程序、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動程序以及主機(jī)應(yīng)用 軟件。單片機(jī)固件則響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的 USB 標(biāo)準(zhǔn)請求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理 。而客戶驅(qū)動程序則讓主機(jī)可以識別 USB 設(shè)備，并通過應(yīng)用軟件來存取 USB設(shè)備，完成通信功能。主機(jī)應(yīng)用軟件通過客戶驅(qū)動程序與系統(tǒng) USBI(USB Device Interface)進(jìn)行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生 USB 數(shù)據(jù)的傳送動作，可用 Visual Basic、 visua1C++或 Delphi等軟件來開發(fā)并生成采集應(yīng)用軟件及其相關(guān)使用說明，方便用戶快捷地使用本數(shù)據(jù) 通信系統(tǒng)。整個(gè)軟件系統(tǒng)的組成 如圖 所示。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 應(yīng) 用程 序驅(qū) 動程 序固 件程 序硬 件層 圖 軟件系統(tǒng)組成 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo) 該 基于 USB 總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 的基本性能指標(biāo)確定如下 : (1)接口方式 :USB 總線 (支持 接口標(biāo)準(zhǔn)，可熱拔插、即插即用 )； (2)輸入通道 :17 個(gè)通道 (11 個(gè)單端輸入通道和 6 個(gè)雙端輸入通道 )； (3)測量信號 :工業(yè)現(xiàn)場各類傳感器的輸出電壓和電流信號 ； (4)量程 :0V~5V， 0V~10V，士 5V，士 10V， 4mA~20mA； (5)每通道最高采樣頻率 100Ksps； (6)A/D 分辨率 :10Bit； (7)觸發(fā)方式 :定時(shí)器觸發(fā)，軟件觸發(fā) ； (8)FIFO 存儲器 :3KB。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在生產(chǎn)工程中，應(yīng)用 此 系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息 的 手段。其與 上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸是采用帶 接口的單片機(jī)作為接收控制板的核心芯片，以解決當(dāng)前筆記 本電腦不提供 RS232 接口的問題。 數(shù)據(jù)通過接于 RS232 串口的數(shù)傳輸模塊傳送到上位機(jī)處的接收控制模塊中，模塊通過 USB 口將數(shù)據(jù)傳送到上位計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用程序經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理得出相應(yīng)數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)框圖如圖 所示。 單片機(jī) 的選擇 本設(shè)計(jì)采用了 Silicon Laboratories 公司的片上系統(tǒng)級單片機(jī) C8051F320 作為控制采集板的核心芯片，這是因?yàn)樗哂?以 下特點(diǎn)。 C8051F 系列單片機(jī)具有與 MCS51 內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標(biāo)準(zhǔn) 8051 的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。 C8051F 系列單片機(jī)的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、 ADC、 DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、 SMBus/I2C、UART、 SPI、可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí) 器陣列 (PCA)、定時(shí)器、數(shù)字 I/O 端電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器 (WDT)、和時(shí)鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的 FLASH 存儲器和 256 字節(jié)的內(nèi)部 RAM，有些器件還可以訪問外部數(shù)據(jù)存儲器 RAM，即 XRAM。 C8051F320 是 Silabs 公司的 C8051F 系列單片機(jī)中的一款，它除了具備上述強(qiáng)大功能外，它還帶有 USB 控制處理器，完全遵循 USB 協(xié)議 ，支持 12Mbps 的全速傳輸或 的低速傳輸，可時(shí)鐘恢復(fù)，不需額外的晶振，其提供端點(diǎn) (Endpoint)數(shù)為 8內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 個(gè)，且每個(gè)端點(diǎn)的傳輸類型、傳輸方向均可由設(shè) 計(jì)者自由配置。另外，它的內(nèi)部還集成有 1kbyte 的 USBSRAM 和 USB 收發(fā)器。 (1)功能部件 ● 模擬外設(shè) ① 10 位的 ADC(士 1LSB INL)：其最大可編程轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 200ksps；可多達(dá) 17個(gè)外部輸入；可編程為單端輸入或差分輸入；內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器 (士 3℃ )； ② 2 個(gè)模擬比較器； ③ 的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)； ④ 精確的 VDD 監(jiān)視器和欠壓檢測器。 ● USB 功能控制模塊 滿足 協(xié)議：可在全速 (12Mbps)或低速 ()下運(yùn)行；集成有一個(gè)時(shí) 鐘恢復(fù)源，對于全速或低速傳輸均可不用外部晶振；支持 8 個(gè)靈活通用的端點(diǎn)；內(nèi)置一個(gè) IK 的 USB 專用緩沖存儲器；集成了一個(gè) USB 接收器，不需要外部電阻。 ● 片內(nèi)調(diào)試模塊 片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試 (不需仿真器 )；支持端點(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器；可以觀察 /修改存儲器和寄存器；比使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更好的性能。 ●工作溫度范圍： 0℃ 0℃ ● 高速 8051 微控制器內(nèi)核 采用流水線指令結(jié)構(gòu) ，其 70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；速度可達(dá) 25MIPS(時(shí)鐘頻率為 25MHZ 時(shí) )。 ● 存儲器 1280 字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù) RAM(IK+256)； 16K 字節(jié)的可以在系統(tǒng)編程的 FLASH 閃速內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 存儲器。 ● 數(shù)字外設(shè) 25 個(gè)字節(jié)寬的端點(diǎn) I/O；所有口線均耐 5V 電壓；可同時(shí)使用 UART 串口、硬件SMBusTM、 SPITM；帶有 4 個(gè)可編程的 16 位技術(shù)器 /定時(shí)器陣列；帶有 5 個(gè)捕捉 /比較模塊的通用 16 位計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器。 ● 時(shí)鐘源 內(nèi)部晶振的精度為 ；支持所有 USB 和 UART 模式；外部晶振器：晶體 、 RC、C 或外部時(shí)鐘；內(nèi)置一個(gè)針對與 USB 控制器的片上時(shí)鐘乘法器。 ● 供電電壓 片上的參考電源校準(zhǔn)器支持 USB 總線電源操作；校準(zhǔn)器的 Bypass 模式支持 USB內(nèi)部電源操作。 (2)性能特點(diǎn) C805lF320 在保持 CISC 結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，對指令運(yùn)行實(shí)行流水業(yè)，推出了 CIP 一 51 的 CPU 模式，從而大大提高了指令運(yùn)行速度，使 8051 兼容機(jī)系列進(jìn)入了 8 位高速單片機(jī)行列。 傳統(tǒng)的單片機(jī) I/O 端口大都是固定為某個(gè)特殊功能的輸入 /輸出口，可以是單功能或多功能， I/O 端口可編程選擇為單向 /雙向以及上拉、開漏 等。這種固定方式既占用較多引腳，配置又不夠靈活。 C8051F320 采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實(shí)現(xiàn) I/O 端口的靈活配置，如圖 所示。在這種通過交叉開關(guān)配置的 I/O 端口系統(tǒng)中，單片機(jī)外部為通用 I/O口，如 P0 口、 P1 口和 P2 口。內(nèi)有輸入 /輸出的電路單元通過相應(yīng)的配置寄存器控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 數(shù) 字交 叉 開 關(guān)控 制 寄 存 器P 0 口P 1 口P 2 口888C 8 0 5 1 F 3 2 0P 0 . 0 ~ P 0 . 7P 1 . 0 ~ P 1 . 7P 2 . 0 ~ P 2 . 7P 2P 1P 0T 0 , T 1P C AS Y S C L KC P 1 輸 出C P 0 輸 出S M B u sS P IU A R T 圖 C8051F320 的 I/O 端口配置 C8051F320 還提供了一個(gè)完整而先進(jìn)的時(shí)鐘系統(tǒng)，如圖 所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，片內(nèi)設(shè)置有一個(gè)可 編程的時(shí)鐘振蕩器 (無需外部器件 )，可提供 8 和 16MHz 時(shí)鐘的編程設(shè)定。外部振蕩器可選擇 4 種方式。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時(shí)鐘的動態(tài)切換。編程選擇的時(shí)鐘輸出 CYSCLK 除供片內(nèi)使用外，還可從隨意選擇的 I/O 端口輸出。 控 制 寄 存 器內(nèi) 部 時(shí) 鐘可 編 程系 統(tǒng) 時(shí) 鐘時(shí) 鐘輸 入時(shí) 鐘振 蕩 器控 制 寄 存 器C 8 0 5 1外 部 和 時(shí) 鐘晶 體R CC時(shí) 鐘 源 圖 C8051F320 的時(shí)鐘系統(tǒng) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） C8051F320 在 8 位單片機(jī)中率先配置了標(biāo)準(zhǔn)的 EC2 接口 ()。在上位機(jī)軟件支持下，通過串行的 EC2 接口直接對產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。 C8051F 的 EC2 接口不僅支持 FlashROM 的讀 /寫操作及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試，還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、 SFR 總線和 I/O 口弱上拉功能實(shí)現(xiàn)觀察和控制。 C805lF320 把 8051 單一的外部復(fù)位發(fā)展成多源復(fù)位：上電復(fù)位、掉電復(fù)位、外部引腳復(fù)位、軟件復(fù)位、時(shí)鐘檢測復(fù)位、比較器 0 復(fù)位和引腳配置復(fù)位。眾多的復(fù)位源為保障系統(tǒng)的安全、操作的靈活性以及零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來極大的好處。 (3)引腳及封裝 圖 C8051F320 的封裝 具體引腳如圖 所示： VDD—— 數(shù)字電源； GND—— 模擬 地； REGIN—— 5V 校準(zhǔn)器的輸入端； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） /RST/C2CK—— 設(shè)備的復(fù)位引腳或 EC2 調(diào)試接口的時(shí)鐘信號； —— 端口 或 EC2 調(diào)試接口的雙向信號引腳； VBUS—— USB 總線輸入腳； D+—— USB 的 D+； D—— USB 的 D； —— 端口 或外部晶振輸入； —— 端口 或外部晶振輸出； — 端口 或 ADC0 外部轉(zhuǎn)換開始輸入腳； — 端口 或外部參考電源的輸入端或輸出端； 、 、 、 、 ~、 ~ 均為相應(yīng)的端口引腳。 綜上所述，選用 Silicon Laboratories 公司的 C8051F320 單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)電路比較簡單，設(shè)計(jì)的芯片體積較小，功耗低，可以在系統(tǒng)調(diào)試，軟件環(huán)境集成化，省去了許多麻煩。 系統(tǒng)與主機(jī)連接的設(shè)計(jì) USB 傳送信號和電源是通過一種四線的電纜，圖 的兩根線是用于發(fā)送信號。 圖 USB的電纜 電 纜中包括 VBUS、 GND 二條線，向設(shè)備提供電源 。 VBUS 使用 +5V 電源。 USB對電纜長度的要求很寬，最長可為幾米。通過選擇合 適的導(dǎo)線長度以匹配指定的 IR drop內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 和其它一些特性，如設(shè)備能源預(yù)算和電纜適應(yīng)度。為了保證足夠的輸入電壓和終端阻抗，重要的終端設(shè)備應(yīng)位于電纜的尾部。在每個(gè)端口都可檢測終端是否連接或分離，并區(qū)分出高速，或低速設(shè)備。 綜上所述，相對于工業(yè)上數(shù)據(jù) 通信在 以前常采用的 PCI 總線、 ISA 總線或者 RS232總線作為采集方式， USB 總線具有支持熱拔插、即插即用、支持共享式接口且體積小巧、節(jié)省系統(tǒng)資源、成本低廉性能可靠等等諸多優(yōu)點(diǎn)。 USB 總線支持低速、全速、高速三種傳輸速率，并且支持控制傳輸、批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸四 種傳輸類型，這使得它能支持多種外設(shè)的需要，成為一種高效靈活的數(shù)據(jù)傳輸方式。 C8051F320 提供的通用串行總線控制器（ USB0）符合 規(guī)范，可以全速或低速工作，集成了收發(fā)器和端點(diǎn) FIFO RAM。共有 8 個(gè)端點(diǎn)：一個(gè)雙向控制端點(diǎn)（端點(diǎn)0）和三對輸入 /輸出端點(diǎn)（端點(diǎn) 13 輸入 /輸出）。 XRAM 中有 1KB 的存儲塊被專門用作 USB FIFO 空間。該 FIFO 空間被分配給端點(diǎn) 03；端點(diǎn) 13 的 FIFO 可以被配置為輸入（ IN）、輸出（ OUT）或輸入 /輸出（分內(nèi)割模式）。最大的 FIFO 大小為 512 字節(jié)（端點(diǎn) 3）。 可以工作在全速或低速方式。片內(nèi) 4 倍時(shí)鐘乘法器和時(shí)鐘恢復(fù)電路允許使用內(nèi)部高精度振蕩器作為 USB 時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)全速和低速通信。外部振蕩器也可以與 4倍時(shí)鐘乘法器配合使用來產(chǎn)生 USB 時(shí)鐘。 CPU 時(shí)鐘源與 USB 時(shí)鐘相互獨(dú)立。 USB 收發(fā)器符合 規(guī)范，并包含內(nèi)部匹配和上拉電阻。上拉電阻可以被用軟件使能 /禁止，可以根據(jù)軟件選擇的速度設(shè)置（全速或低速）出現(xiàn)在 D+或 D引腳。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） … 圖 USB控制器原理框圖 USB 接口分為 A、 B 型接口和 Mini 型接口等，本文實(shí)際電路中采用了標(biāo)準(zhǔn) A 型USB 接口 ，其封裝圖如圖 所示。 圖 USB的 A型接口封裝圖 一個(gè)帶有 USB 接口的系統(tǒng)，如果相具有 USB 功能必須選擇合適的 USB 控制器，市場上供應(yīng)的 USB 控制器主要有帶 USB 接口的單片機(jī)或純粹的 USB 接口兩種芯片。在此選用的是 Silabs 公司的 C8051F320。 C8051F320 本身集成了全速 /低速 USB 功能，用于實(shí)現(xiàn) USB 接口的外部設(shè)備（但內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 是 C8051F320 不能被用作 USB 主設(shè)備），它完全符合通用串行總線規(guī)范 版。 USB