基于單片機和usb接口技術的高速數據采集系統的設計-資料下載頁

　　

【正文】 SB_ D12_ Write():用來讀寫數據，把數據讀到數據緩存區或把數據從緩存區寫到端點專用寄存器，由此發往 USB 主機。 USB_ D 12_DeviceloControl():設備操作，一般是用來對硬件發出一些控制命令。 USB_ D 12_closeHandle():當用戶關閉文件時，調用它清掃系統，卸載驅動程序。 USB_ D 12_ AddDevice()第一次安裝硬件(插上板子)時使用 USB_ D 12_ DriverUnload():卸載硬件時使用，當硬件完全卸載后，調用它清理此硬件在系統中留下的痕跡，釋放全局變量中注冊表路徑字符串所占的內存。 以上是驅動程序中的幾個重要的分發歷程，只有上述這些例程正確執行，編譯生成的*.SYS 文件才是有效的，驅動程序才可以使用，設備才能和上位機通信。設備插上主機后，主機發現新硬件并提示安裝驅動程序。 USB 設備驅動程序的調用 USB 設備通過客戶驅動程序與設備打交道并響應內核或用戶應用程序請求。在內核級，命令由客戶驅動程序使用內部的 IOCTL 發送給 USB 系統，而不能用于用戶態應用程序。最有用的 IOCTL 是 IOCT_ INTERNAL USB_ SUBMIT_ URB，它發出 USB 請求塊(URB)給系統 USB 驅動程序。URB 允許發出多個功能調用給 USB系統，通過 URB 進行與 USB 設備的大多數交互。用戶只需在相應的分發例程中構造 URB 塊(讀取 USB 的描述表、選擇配置和接口)，并根據設備所支持的傳輸類型和設備自有的命令字將其通過 USBDI 發送下去，由 USB 類驅動程序處理所有的低層 I/O，從而實現對 USB 設備的控制。USB 總線驅動程序由操作系統提供，它位于 USB 功能驅動程序的下面，負責與實際的硬件打交道，實現煩瑣的低層通信。USB 功能驅動程序由設備開發者編寫，位于 USB 總線驅動程序的上面，不與實際的硬件打交道，而是通過向 USB 總線驅動程序發送包含 URB (Request Block, USB 請求塊 )的 IRP (I/O Request Packet,IRP 請求包) ，來實現對 USB 設備信息的發送或接收。采用這種分層驅動程序的方法有兩個優點:(1)多個 USB 設備可以通過 USB 總線驅動程序來協調它們的工作。(2)編寫分層驅動程序較之編寫單一驅動程序相對簡單，且可以節省內存和資源，不易出錯。整個驅動程序模型如圖 所示。圖 USB 設備驅動程序的調用第 4 章 方案設計的分析及本研究的創新策略 方案的可行性、實驗過程、數據的處理及分析 系統硬件設計分析89C52 通過 和讀、寫控制線來控制轉換器的模擬輸入通道地址鎖存、啟動和允許輸出。編程時注意啟動 AD0809 后，EOC 在一定時間才能變成低電平。89C52 的 ALE 和 PD12 的 ALE 相接，表示采用單獨地址和數據總線配置。其 AO 腳接高電平用于控制命令或數據輸入到 PDIUSBD I2，也就是編程中 outportcmd()和outportdata()函數。此外 89C52 的多位地址/數據復用總線 PO 可直接與 PDIUSBD12的數據總線相連，CLKOUT 時鐘輸出為 89C52 提供時鐘輸入。在該數據采集系統中，用 ADC0809 采集 05V 的電壓信號，經 A/D 轉換后將數字量存入預先設定的緩沖區里，利用接口芯片 D12 將數據送至 USB 總線上。設備應用程序從緩沖區里取數據顯示，通過數值說明 USB 接口的采集速率比一般的串行總線速度高。當前端的電壓信號不斷變化的同時，在 PC 上可以觀察到數據的變化，這就表明利用 USB 接口在數字采集系統中進行數據傳輸是能夠實現的，而且能夠很好的實現。 系統軟件設計分析在編寫 PDIUSBDI2 固件程序時需要注意 : [1]單片機的中斷應設置為電平觸發:中斷后一定要讀上次傳輸狀態寄存器(命令4045H)，以清除中斷寄存器中的中斷標志。這樣，PDIUSBD12 的中斷輸出才能變回高電平。這一點非常重要。[2]在接收到 Setup 包后，一定要調用 ACK setup 命令重新使能端口 0。[3]在向 IN 端點寫完數據后，一定要調用 Vali date Buffer(命令 FAH )，指明緩沖區中的數據有效，可以發送到主機。[4]讀完數據后，一定要調用 Clear Buffer(命令 F2H)，以保證可以接收新的包。[5]可以通過調用 Read Chip ID(命令 FDH)檢查 PDIUSBDI2 是否工作。該命令要讀兩個字節數據。USB 初始化過程為: [1] Set Address Enable。 [2] Set Endpoint Enable(此時 LED 亮)。 [3] Disconnect。 [4]delay(12 s)。 [5] Connect(即用 43h 參數調用 Set Mode，此時 LED 滅)。 [6]Read Interrupt Register。 完成初始化工作后就可作其它的前臺工作了，并在前臺判斷是否有 Setup 包( 通過一個變量，當中斷服務程序檢測到有 Setup 包時，設置該變量 )，然后執行響應的控制傳輸。若 USB 驅動程序想對設備進行 I/O 操作，它便使用 Windows API 函數對WIN32 子系統進行 WIN32 調用。此調用由 I/O 系統服務接收并通知 I/O 管理器，I/O 管理器將此請求構造成一個合適的 I/O 請求包(I/O Request Packet IRP) 并把它傳送給 USB 功能驅動程序。USB 功能驅動程序接收到這個 IRP 以后，根據 IRP 中包含的具體操作代碼，構造相應的 USB 請求塊 把該 URP 放到一個新的 IRP 中，并通過USBDI 傳送給 USB 驅動程序(USBD), USBD 驅動程序根據 IRP 包含的不同傳輸類型將 IRPs 分解開來，并調用主控制器驅動程序來處理 IRPs，同時將處理結果返還給I/O 管理器，并最終返還給應用程序，從而實現了應用程序對設備的讀寫操作。 在此過程中，應用程序通過文件名(即設備名)和文件描述符找到設備驅動程序，驅動程序通過設備描述符和設備標識使用設備，三者為一鏈式調用方式。 功能驅動程序除負責處理應用程序的 I/O 請求外，還要處理 PnP 管理器發送給它的 PnP 請求(如設備啟動請求 IRP_ MN_ START_ DEVICE，設備刪除請 IRP MN REMOVE DEVICE 等)。通過對這些請求的處理，USB 功能驅動程序可支持設備的熱插拔和即插即用功能。 本次設計的創新與改進本次設計沒有采用以往以 AVR 單片機 ATmegal28 作為主控制器，通過基于CH375 的 USB 接口實現數據傳輸的方式，而是采用 AT89C52 單片機和 Philips 公司的 PDIUSBD12 ()接口芯片配合的方式。 由于 51 系列的單片機是應用非常廣泛的一種微處理器，在其基礎上開發了大量的軟件包，對其內部結構和工作原理我們都非常了解。而 PDIUSBDI2 能夠完成將數據信號到符合 USB 規范的信號的轉換。為此，我們利用 89C52 中豐富的軟件資源和 USB 總線技術即插即用、熱插拔特性來完成高速數據采集系統。PDIUSBD12 可使設計者選擇最合適的微控制器，減少開發時間、風險及費用，是最實用最快捷的方法實現最經濟的 USB 外設的方案。這樣配合方式使的數據采集速度更快，設計周期更短。這種方案的實際體現是價格便宜、接口形式多樣、可靠性高、靈活性大，尤其適合于產品的改型設計這樣可以降低開發成本，縮短開發周期、降低風險。結論通過實際系統的設計、開發和調試，我們覺得對于現在各種以串行口、并行口為接口的產品，都可以設計成帶 USB 接口的產品。在硬件設計時，只需把串口控制芯片或并口控制芯片換成 USB 接口芯片即可。目前 USB 芯片的價格也不是很高，一般的只需十幾元或幾十元人民幣即可，這樣不僅沒有增加成本，而且極大提高了數據傳輸速度，同時也使得系統具有 USB 所具有的支持即插即用、熱插拔、靈活、方便等技術優勢，極大地改善了系統的性能，給用戶帶來了極大的方便，尤其是適用于產品改造型設計。USB 接口完全可以代替串行口和并行口實現數據傳輸。從實用性的角度來說，本系統的數據庫管理軟件還需進一步完善，操作界面可以采用更直觀的圖形化按鈕。將 AD 轉換的內核做到 FPGA 當中，將采集設備中的數字器件集成到FPGA 中，會大大的簡化電路，并且有利于將來系統的升級。也可以把 USB 控制的核一并做到 FPGA 中，則電路將會更加簡單，不過對于 FPGA 的工作量就會比較繁重一些。 的出現極大地提高了 USB 的通信速度，但是，隨著 USB 應用領域的逐漸擴大，人們對 USB USB(WUSB)技術的提出是 USB 技術的又一革命性創新。2022 年春季 Intel 技術峰會(美國)上，無線 USB 促進聯盟(Wireless USB Promoter Group)宣布成立。這個聯盟包括 7 家有相當實力的業界巨擎:Agere Systems 惠普，英特爾，微軟，NEC，飛利浦半導體和韓國三星。這個聯盟的每個成員都被授權可以制訂 WUSB 的詳細規格。在詳細規格上，已經達成共識的是每秒480Mb 的傳輸速率，這一規格和有線的 USB 設備間高速傳輸規格維持一致。未來，WUSB 將會向整合的方向發展，變成一個標準芯片組的一部分。如同有線的 USB技術一樣，無線的 WUSB 將會提供一些 USB 所不能提供的功能。無線 WUSB 聯盟正在努力的制訂一個標準的規格書，同時，工業上也在開發 WUSB 產品，為消費者提供更好的方便性和移動性。無線 USB 的實現將把人們的生活全面帶進無線環境當中。致謝 本文是在陳雪嬌老師的指導下完成的，感謝導師這么久以來對我在畢業設計上的悉心指導，因為從開始指導到個人編寫程序，設計修改，直到完成，陳老師無不傾注著心血和辛勞。就是再忙，陳老師也經常對我進行悉心教導。我所取得的每一點成績和進步都凝聚了老師對我的教誨和心血，這讓我深受感動。導師嚴謹求實的治學態度、認真的求學精神、腳踏實地的工作作風、敏銳的思維、淵博的專業學識、超前的學術眼光、深邃的學術思想、勤勉塌實的治學作風、誨人不倦的精神無不讓人感動，給我留下了深刻的印象，成為我一生中一筆寶貴的財富，使我終生受益。在這里我衷心的說一聲，陳老師，辛苦了！同時在整個設計的過程中，也十分感謝唐國華老師，文獻作者，圖書管理員和信息技術學院 2022 級電子 2 班同學的幫助，他們使我獲得了不少啟發，讓我受益匪淺。在此對他們表示誠摯的謝意。論文的編寫過程就是一個知識不斷積累的過程。在寫論文的過程中，我感到指導老師們的知識是那么的豐富，而我與之比較真是相差甚遠。這更加激勵我要不斷的學習。只有不斷學習才能不斷的進步。我得到了老師的指導和幫助，學到了很多課本中學習不到的知識，提高了自己的動手能力，得到了巨大的收獲。今后，我將繼續努力，爭取把在本次論文中學到的知識運用到工作和學習當中，努力發揚吃苦耐勞的精神，取得更大的進步。由于時間倉促和自己水平有限，在論文中難免存在很多不足之處，懇請各位老師批評指正。最后，對陳雪嬌老師的耐心指導再次表示感謝！并祝老師在今后的工作里工作愉快! 合家歡樂! 參考文獻[1] .[M].南京：東南大學出版社，2022, 1314.[2] [M].武漢：華中科技大學出版社，2022,1514.[3] .電子技術基礎數字部分[M].北京：高等教育出版社，2022,1536.[4] .MCS51/96 系列單片機原理及應用 [M].北京：北京航空航天大學出版社，1996，1409.[5] [M].武漢：華中科技大學出版社，2022,1384.[6] .IBMPC 匯編語言程序設計[M].北京：清華大學出版社，1991,1482.[7] date sheets[OL] .[8] 位微型計算機原理及應用[M].北京：北京郵電大學出版社，1992,1404.附錄 AAt89c52 date sheetsAT89C52 Chip explains Compatible with MCS51TM Products 8 Kbytes of InSystem Reprogrammable Flash Memory Endurance: 1,000 Write/Erase Cycles Fully Static Operation: 0 Hz to 24 MHz ThreeLevel Program Memory Lock 256 x 8Bit Internal RAM 32 Programmable I/O Lines Three 16Bit Timer/Counters Eight Interrupt Sources Programmable Serial Channel Low Power? Idle and Power Down ModesDescriptionThe AT89C52 is a lowpower, highperformance CMOS 8bit microputer with