采用usb接口的高速数据采集器硬件设计毕业论文(编辑修改稿)

采用usb接口的高速数据采集器硬件设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

第 13 页 共 35 页 USB 的广泛应用正在成为外设与 PC 及笔记本电脑连接的工业标准。 我们开发了基于 协议的数据采集和控制系统以及 USB 和串行口通信板，取得了满意的效果。 但这些设备都是由一个主计算机来管理所有的通信，外围设备不能够直接彼此沟通。 在 2020 年， USB 开发者论坛 (USB Implementers Forum， USBIF)发布了专门用于 USB外设间可移动互联的 补充规范 USBOTG(OnTheGo)。 USBOTG 为外设之间点对点通信的实现提供了一个完善而经济的解决方案，突破了主 PC 机的约 束，允许一个 USB 外设拥有受限的主机功能，实现与其它选择的 USB 外设通信；利用小型的连接器来满足外设接口外形多变的要求；小功率特性延长了电池的使用寿命。 USBOTG 并没有影响外设到 PC 的连接能力和要求，而是为在 PC 机连接不可行或不能实现的情况下提供一个外设之间直接通信的解决方案。 USB 己经成为了一种 PC 和外设之间交换数据的常用接口。 由于日益增加的便携式外设都使用 USB 接口和 PC 机进行通信，因此如果能实现这些设备相互之间的通信将会带来很大的方便，但是 USB 的某些规范使之实现起来有困难，尤其是 USB 通信只发生在一个主机和一个外设之间。 为了取的 PC 主机的资格，设备必须包含以下几个特性： (l)存储大量的设备驱动程序； (2)产生大电流的能力； (3)一个标准主机连接插孔。 要求大量的便携式设备都具有上述特性是不现实的，而且在很多情况下，并不需要使用到这些特性。 为了满足这些限制要求，便携式 USB 的应用是作为 规范的补充发展起来的。 它允许一个便携式设备成为一个 USB 主机，而不需要支持一个 PC 主机的所有功能。 这个补充规范的目的是要定义一个对 规范作最低限度的改变来实现便携式USB 设备的应用。 USBOTG 并不是一个独立的规范，它是 规范的补充，任何一个在这个规范中没有更改的 USB 标准仍然受 规范的约束。 这个补充规范并不单是为便携式电子设备制定的，其同样适用于 PC 机的外设或任何非便挤式设备。 USBOTG 在 规范基础上增加了以下特性： 双重功能设备 :允许设备以主机和外设两种形式工作。 主机处理协议 (HNP： Host Negotiation Protocol)：用于转换 USB 主机和外设功能； 会话请求协议 (SRP： Session Request Protocol)：完成与主机 的会话； 更具节能性的电源管理：除了小功率和大功率之外，增加了微功率选择。 采用 USB接口的高速数据采集器硬件设计 第 14 页 共 35 页 超小连接器：除了标准的 A 和 B 系列连接器外，增加了微型连接器 MiniAB，这些连接器比最初的 USB 连接器要小许多，更适合于便携式设备。 USBOTG 是一种点到点的通信标准，其仍然保持在任何时候都有主机 /从机。 点到点的通信能力建立在定义好的结构上，允许在主机和从机之间的转换。 点到点的连接方式并不仅限制在同种类的产品之间，不同类的产品也能相互连接，这使得便携式设备的发展有了更加广阔的空间。 USBOTG 已受到 Cypress 等芯片供应商、软 件开发商和设备制造商的广泛支持， OTG 必将会成为新一代嵌入式设备的解决方案。 本章小结 本节简要地从 USB 系统组成、 USB 的传输、 USB 的数据单元、 USB 的设备请求等方面讨论了 、 、 USBOTG 协议。 从这些介绍中可以看出， 协议的速度可达 ，适用于大多数中低速设备； 协议是在 基础上版本的一个升级，并增加了一些新的特性，速度可高达 480Mb/s，使得原来 USB 不能用于视频的传输也可以实现；以上这两种协议虽然可以满足大多数系统 的需要，但在实际的通信过程中必须有主机的参与，离开了主机，设备便不可工作；而 USBOTG 的出现正是为了解决这个问题， USBOTG 协议是 协议的一个补充，而不是一个独立规范，任何一个在这个规范中没有更改的 USB 标准仍授 规范的约束。 USBOTG协议实现了无主机参与的数据通信，可以实现点对点的数据通信，而无须主机的介入，在嵌入式领域必将有广阔的应用前景。 采用 USB接口的高速数据采集器硬件设计 第 15 页 共 35 页 3 系统总体设计方案 设计方案的确定 数据采集器接口的选择 数据采集设备与计算机之间的接口可以 有多种方式，如 RS232 串行口、并行口、ISA 总线、 PCI 总线、 USB 等。 通过分析五种接口方式我决定选择 USB 接口方式，下面是各接口方式的优缺点： （ 1） RS232 串行接口： 串行接口是微机应用系统的常用接口，现在的 PC 机一般至少有两个串行口。 串行口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位串行地传送下去。 由于 PC机的限制，其最高数据传输率不超过 115KbpS，同时传输的距离也不会超过 15 米，且PC 机上的串口数目也很有限。 采样系统与 PC 机接口速度的瓶颈作用会导致一部分数据的丢失，失去连续采样的意义。 （ 2） 并行接口： 目前，计算机中的并行接口主要作为打印机端口，并行接口是在多根数据线上以字节为单位与输入 /输出设备或被控对象传输信息的，这样数据传送速度大大提高，且并行传送的信息不要求固定的格式，但并行传送的距离受到限制，因为距离增加，干扰就会增加，容易出错。 （ 3） ISA 总线 ISA 总线是工业标准结构总线，又称为 AT 总线。 它的数据宽度 16 位，工作频率8MHz，数据传输率 6MB/S，处理器的高速度和总线的低速度不同步，造成硬盘、图形卡和其它外设只能通过一个慢速且狭窄的瓶颈发送和接收数据，使 CPU 的高性能 受到了严重的影响。 尽管 ISA 总线传输速率低、占用硬件中断资源、不支持即插即用，但 ISA具有良好的兼容性及广泛的应用，而且这种总线特别适合于控制外设和进行数据通信的功能模块。 但是随着计算机技术发展， ISA 总线逐渐被淘汰，目前市场上大多 PC 机主板已经没有 ISA 插槽。 采用 USB接口的高速数据采集器硬件设计 第 16 页 共 35 页 （ 4） PCI 总线 PCI 总线是 Intel 公司推出的外围设备互连总线，是另一种局部总线规范 PCI 总线具严格的规范，保证了它具有良好的兼容性，符合 PCI 规范的扩展卡可插入任何 PCI 系统可靠地工作。 PCI 总线与 CPI 无关，与时钟频率亦无关，可适各种平台， 支持多处理器和并发工作。 PCI 总线为外设提供了访问微处理器更宽更快的通路，有效地克服了数据传输的瓶颈现象。 PCI 总线还具有良好的扩展性，通过 PCI 桥路，可允许无限地扩展。 但PCI 总线主要用于提高系统的性能。 （ 5） 通用串行总线 (USB) 上述总线接口虽各具优点，但也都有其难以克服的缺点。 它们在使用过程中安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，受到计算机系统资源、插槽数量限制，不易扩展。 而一种新的总线接口方式 USB，则是对其它总线接口技术扬长避短的产物。 由于 USB 的热插拔特 性，使得它的使用很方便，而且与串口、并口相比， USB 的速度也快得多。 我们可以很方便地对其作一些特殊处理或是更改设置，使用非常方便。 USB 是一些 PC大厂商，如 Microsoft， Intel 等为了解决日益增加的 PC 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准，自 1995 年在 cmodeX 上亮相以来，己广泛地为各CP 厂家所支持。 USB 主要有以下优点 : 速度快。 USB 有高速和低速两种方式，主模式为高速模式，速率为 12Mbps， 版规范允许 480Mbps 的速率传输数据。 另外为了适应一些 不需要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等， USB 还提供低速方式，速率为 12Mbps。 相比之下，串口数据传输率是 115kbps~230kbps，标准并口的数据传输率为 IMbps，这些都远低于 UBS 的传输速率。 设备安装和配置容易。 USB 设备支持即插即用，安装 UBS 设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备完全不用关闭计算机。 所有 USB 设备支持热插拔，系统对其进行自动配置，不再占用中断资源或者 DMA 资源，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。 USB 为接缆和连接头提供了单一模型，解决了外设越来越多所造成的插槽紧张问 题。 易于扩展。 通过使用 Hub 扩展，可接多达 127 个外设。 标准 USB 电缆长度为 3m(5m低速 )，通过 Hub 或中继器可以使外设距离达到 30m 使用灵活。 USB 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)，以适应不同设备的需要。 采用 USB接口的高速数据采集器硬件设计 第 17 页 共 35 页 能够采用总线供电。 USB 总线提供最大达 5V， 500mA 电流，对于功耗较小的设备来说这是非常有效的。 通过分析我们可以看出使用 USB 接口是最适合我们这个设计的要求。 USB 控制芯片的 选择 要实现一个 USB 设备，首先面对的问题就是选择一种适合的 USB 控制芯片。 从芯片大的构架来分，市面上所有的 USB 控制器芯片可以分为不需要外接微控制器的芯片和需要外接微控制器的芯片。 而不需要外接微控制器的芯片又可以分为专门为 USB 设计的芯片和嵌入通用微控制器内核的芯片。 （ 1）专为 USB 设计的 USB 控制芯片： 该类芯片是厂商为开发 USB 应用设备而专门设计的，内部用的是专用的 CPU。 较为典型的代表为 Cypress 公司推出的 CY7C63101A、 CY7C63723 等等。 （ 2）内嵌通用微控制器的芯片： 内嵌通用 微控制器的 USB 控制芯片可以说是在通用微控制器的基础上扩展了 USB功能。 这些控制器芯片的优点是开发者已经熟悉了这些通用微控制器的结构和指令集，所以开发起来救比较容易。 即使用户不熟悉这些芯片的结构，但是介绍这些微控制器的书籍和关于他们的范例程序、开发工具等都可以作为设计时的参考。 此类芯片的典型代表有： Cypress 公司的 EZ_USB 系列芯片 (内嵌 80C186)， Amtel 公司的 AT76C711(内嵌Atmel AVR)， SIEMNES 公司的 C541U(内嵌 80C5 80C52)等等。 （ 3）需外接微控制器的 芯片： 这些 USB 控制芯片只负责处理 USB 相关的通信工作，而且必须由外部微控制器的控制才能正常工作。 如果选择了这种设计方按，那么必须再选择一个微控制器芯片，这样就增加了设备的体积。 但其优点是用户可以选择任何一种自己熟悉的微控制器，而且这种芯片价格也相对便宜。 既然需要外接微控制器，这些芯片就必须提供一个串行或者并行的数据总线来与微控制器进行连接。 另外还需要一个中断引脚，当接口芯片收到或者是发送完 USB 总线数据时，这个中断引脚会向微控制器发出中断信号。 此类芯片的典型代表有： Philips 公司的 PDIUSBD1 Netchip 公司的 NET2888 芯片、 National Semiconductor 公司的。 采用 USB接口的高速数据采集器硬件设计 第 18 页 共 35 页 综合考虑现有工作环境、资料收集情况和价格等因素，本课题采用了需要外接微控制器的 PDIUSBD12 芯片作为数据采集系统的 USB 控制芯片。 PDIUSBD12 芯片简介 PDIUSBD12 是 Philips 公司的一款性价比很高的 USB 器件，其内部无微控制器，需要通过八位并行接口与其他微控制器配合使用，并支持 DMA 传输。 这种实现 USB 接口的标准组件，可以使设计者在各种不同类型微控制器中进行选择，最大限度的利用已有的设备和开发环境。 微控制器分离的接口器件是开发 USB 设备较为快捷、经济的选择。 PDUISBD12 芯片符合 协议；内部集成 T320B 的FIFO(先进先出 )储存器；支持总线供电 (从主机 USB 插槽获得电源 )或设备自供电；提供GoodLink 指示器，在设备正确枚举、配置后使 LED 持续点亮，数据传输时则闪烁；该芯片具有 SOP28 及 TSSOP28 两种封装形式。 图 PDIUSD12 引脚图 PDIUSD12 芯片八位并行 I/O 口线 DATA0 至 DATA7 具有可控的三态门电路，故而 采用 USB接口的高速数据采集器硬件设计 第 19 页 共 35 页 PDIUSD12 芯片可以直接与 AT89C52 的数据总线相连。 引脚 CS_N 即为该芯片的片选信号引入端。 VDD、 GND、 D+、 D 一四引脚与 USB。