互联网]基于单片机和usb接口技术的高速数据采集系统的设计

互联网]基于单片机和usb接口技术的高速数据采集系统的设计内容摘要：

辽宁科技大学毕业设计（论文） 第 7 页 7 第 3 章 系统的 程序 设计 系统的硬件设计 基于 USB的数据采集和控制系统主要利用了 A/D转换技术、 D/A转换技术和 USB技术，是伴随着 USB 技术的迅速发展与新的数据采集技术的发展而发展起来的。 采集到的数据通过主机接口 (USB 口 )发送到上位机并实时显示出来，其波形保真性能与A/D 转换器的转换速率、分辨率与精度密切相关。 A/D 转换速率越高，复现的波形的分辨率也就越高。 A/D 转换器位数越 多，精度越高，波形保真性越高。 PDIUSBD12 的性能特点和 内部结构 PDIUSBD12 集成了许多新的特性，包括可编程时钟输出、 SoftCon, GoodLink、低频晶振。 (1)可编程时钟输出 :不必考虑电路设计时使用高频晶振产生的 EMI 问题 D12 的CLKOUT 引脚输出时钟信号，可用作 MCU 时钟，最低 4MHZ，最高达 48MHZ. D12内部有倍频电路，外部只需 6M 晶振即可提供 D12 自身工作时钟 (48MHZ)及输出时钟。 (2)软连接 (SoftCon)技术 :芯片内集成有 KΩ 的 USB 上拉电阻，连接此电阻将 D+置为高设置为高速 USB 设备。 连接的建立通过外部 MCU 发送命令来实现，这就允许设备在决定与 USB 总线建立连接之前完成初始化时序。 USB 总线连接的连接可以重新初始化而不需要拔插 USB 电缆。 (3)GoodLink 技术 :可提供良好的 USB 连接指示。 在枚举中， LED 指示根据通信情况间歇闪烁。 当成功枚举和配置后 ， LED 指示将一直点亮。 USB 支持两种信号速率。 USB 的最高速率是 12Mb/s，但它可以工作在 1. 5Mb/s 的较低速率，同一个USB 系统可同时支持这两种模式，但 1. 15Mb/s 低速率方式主要为了降低对速度要求不高的设备的成本，只支持少数像鼠标这样的低带宽要求的设备。 (4)可编程的时钟频率输出：集成 320 字节多结构 FIFO 存储器，具体组成如字节数端点 0 端点 1 端点 320=16(IN)+16(OUT)+16(IN)+16(OUT)+[64(IN)+64(OUT)] * 2(双缓冲 )主端点的双缓冲配置增加 了数据吞吐量，并轻松实现实时数据传输。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第 8 页 8 (5)多中断模式实现批量和同步传输。 端点可通过 Set Mode 命令配置为 4 种不同的模式，分别为 : 模式 0 NonISO 模 式 (非同步传输 ) 模式 1 ISOOUT 模式 (同步输出传输 ) 模式 2 ISOIN 模式 (同步输入传输 ) 模式 3 ISOIO 模式 (同步输入输出传输 ) USB 电缆可以允许使用不同长度的电缆，最长可达几米。 为了提供可靠的输入电压和适当的终端阻抗，在电缆的每一端带偏压的终端。 该终端可以发现任一端口上USB 设备的 “ 插入 ” 和 “ 拔除 ” 操作，并能区分全速和低速设备。 图 2 指示了高速USB 设备在集线器的终端位置及其所连的功能设备，从中可以看出在电缆的下行端的电阻 Rpu 是接在 D+线上的，在低速 设备中， Rpu 电阻是接在 D线上的。 PD 工USBD12 的软连接 (SoftCon)技术使得在电路设计中可以省去此电阻，并可以通过软件设置。 图 PDIUSBD12 的原理图 (1)模拟收发器 :集成的收发器接口可通过终端电阻直接与 USB 电缆相连。 (2)电压调整器 :片内集成了一个 3. 3V 的调整器用于模拟收发器的供电，该电压还作为输出连接到外部上拉电阻。 可选择 D12 提供的带有上拉电阻的软件连接技术。 (3)倍频电路 (PLL)片内集成了 6M到 48M 时钟乘法 PLL，就可使用低成本的 6M晶振。 (4) 位时钟恢复 :位时钟恢复电路使用 4X 过采样规则，从进入的 USB 数据流中恢复时钟。 它能跟踪 USB 规定范围内的抖动和频漂。 (5)串行接口引擎 (SIE):串行接口引擎实现了全部的 USB 协议层，完全由硬件实现而不需要固件的参与。 该模块的功能包括同步模式的识别、并行 /串行转换、位填充 /辽宁科技大学毕业设计（论文） 第 9 页 9 解除填充、 CRC 校验 /产生、 PID 校验 /产生、地址识别和握手评估等。 (6)存储器管理单元 (ME)和集成 RAM:在进行数据传输并与微处理器的并口相连时， MMU 和集成 RAM 作为 USB 间传输的缓冲区，允许 MCU 以它自己速率对 USB信息包读 写。 PDIUSBD12 内部结构框图如图 所示： 图 PDIUSBD12 的内部框图 PDIUSBD12 的端点描述 端点 (Endpoint)是一个 USB 设备唯一可以确认的部分，它是主机与设备之间的通信流终点。 一系列相互独立的端点在一起构成了 USB 逻辑设备。 (1)端点 0 要求 :所有 USB 设备都需要实现一个缺省的控制方法。 这种方法将端 点 0 作为输入端点，同时也将端点 0 作为输出端点。 USB 系统用这个缺省方法初始化及一般地使用逻辑 设备 (即设置此设备 )。 缺省控制通道支持了对控制的传送，一旦设备接上，并加电，且又收到一个总线复位命令，端点 0 就是可访问的了。 (2)非 0 端点要求 :设备可以有除 0 以外的其它端点，这取决于这些设备的实现。 低速设备在 0 号输入及输出端点外，只能有 2 个额外的可选端点。 而高速设备可具有的额外端点数仅受限于协议的定义，协议中规定，最多 15 个额外的输入端点和最多15 个额外的输出端点。 非 0 端点在被配置前处于未知状态，在设备配置以后才能使用。 6MHZ D+ 电压调整器 ANALOG TX/AX softconnect D 上行端口 PLL 位时钟恢复 PHILIPS SIE 内存管理单元 集成RAM 并行和DAM接口 D+ 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第 10 页 10 D12 的端点适用于不同类型的设备，并可通过 “ Set Mode” 命令配置为 4 种不同的模式 :模式 0(非同步模式 )，模式 1(同步输出模式 )，模式 2(同步输入模式 )，模式 3(同步输入输出模式 )。 本设计中只用到了模 式 0 配置，同步模式配置未使用。 端点可用来存放从主机接受到或者设备发送来的数据，每个端点都有属于自己的缓冲区。 模式0 配置下的端点缓冲区如表 所示。 端点 2(主端点 )是进行吞吐大数据量的主要端点，具有 64 字节双缓冲区结构，可以减轻传输大量数据的任务 : (1)双缓冲。 允许 USB 与本地 CPU 之间的并行读写操作这样就增加了数据的吞吐量缓冲区切换是自动处理的这导致了透明的缓冲区操 作。 (2)支持 DMA 直接存储器访问操作。 可以和对其它端点的正常 I/0 操作交叉进行。 (3) DMA 操作中的自动指针处理。 在跨过缓冲区边界时不需要本地 CPU 的干预。 (4)可配置为同步传输或非同步批量和中断传输。 表 端点缓冲区配置 (模式 0) 端点号 端点索 引传输类型 端点类型 方向 缓冲区长度（字节） 0 0 控制输出 默认 输出 16 0 1 控制输出 默认 输入 16 1 2 普通输出 普通 输出 16 1 3 普通输出 普通 输入 16 2 4 普通输出 普通 输出 64 2 5 普通输出 普通 输入 64 PDIUSBD12 的指令集 PDIUSBD12 有自己的专用指令集，用于设置 USB 芯片、读取 USB 芯片的状态和控制 USB 总线传输。 D12 芯片内有一系列的寄存器对应着这些指令，微处理器把要设置的值按字节写入 D12 的这些寄存器，或者从 D12 的这些寄存器中读出 USB 总线的状态。 D12 有三种基本的类型的命令 :初始化、数据流和通用命令。 (1)初始化命令 初始化命令在 USB 总线进行枚举处理时使用，这些命令用于使能端点的功能，还可用来设置 USB 分配的地址，包括 :设置地址 /使能、设置端点使能、设置模式 (设置分频系数、软连接、端点模式以及中断 模式等 )、 DMA 设置等命令。 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第 11 页 11 表 初始化命令指令集 命令名 接收者 编码 数据 设置地址使能 器件 D0h 写 1字节 设置端点使能 器件 D8h 写 1字节 设置模式 器件 F3h 写 2字节 设置 DMA 器件 FBh 写 /读 1字节 (2)数据流命令 数据流命令用于管理 USB 端点和外部微控制器之间的数据传输， D12 通过微控制器中断初始化大量的数据流。 微控制器利用这些命令访问和决定端点的 FIFO 是否含有有效的数据。 包括 :读中断寄存器、选择端点、读最后处理状态寄存器、读缓冲区 、写缓冲区、使缓冲区有效、清除缓冲区、设置端点状态、应答建立等命令。 如表。 (3)普通命令 :包括发送恢复、读当前帧数目两个命令。 表 普通命令指令集 命令指令集 发送恢复 F6h 无 读当前桢 数 F5h 读 1或 2字节 PDIUSBD12 的管脚配置 PD12 共有 28 个管脚，具有 S028 和 TSSOP28 两种封装形式，管脚图如 下 图 所示 ： 图 PBIUSBBI2 的管脚配置 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第 12 页 12 表 数据流命令指令集 数据流命令 读中断寄存器 器件 F4h 读 2字节 选择端点 控制输出 00h 读 1字节（可选） 控制输入 01h 读 1 字节（可选） 端点 1 输出 02h 读 1 字节（可选） 端点 1 输入 03H 读 1 字节（可选） 端点 2 输出 04h 读 1 字节（可选） 端点 2 输入 05h 读 1 字节（可选） 读最后处理状态 控制输出 40h 读 1 字节 控制输入 41h 读 1 字节 端点 1 输出 42h 读 1 字节 端点 1 输入 43h 读 1 字节 端点 2 输出 44h 读 1 字节 端点 2 输入 45h 读 1 字节 读缓冲区 选择的端点 F0h 写 n 字节 写缓冲区 选择的端点 F0h 写 n 字节 设置端点状态 控制输出 40h 写 1 字节 控制 输入 41h 写 1 字节 端点 1 输出 42h 写 1 字节 端点 1 输入 43h 写 1 字节 端点 2 输出 44h 写 1 字节 端点 2 输入 45h 写 1 字节 应答设置 选择的端点 F1h 无 缓冲区清零 选择的端点 F2h 无 使缓冲区有效 选择的端点 FAh 无 辽宁科技大学毕业设计（论文） 第 13 页 13 A/D 与单片机接口电路 ADC0809 允许的最大时钟频率为 1280kHz，主要管脚功能如下 : INOIN7: 8 路模拟量输入端，可从这 8 个脚输入 0V5V 待转换的模拟电压ADDA,ADDB,ADDC:管道地址输入端。 通过编码的方式来实现。