基于单片机和USB接口技术的高速数据采集系统的设计.doc

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辽宁科技大学毕业设计（论文）第43页

基于单片机和USB接口技术的高速数据采集系统的设计

摘要

数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品实现灵活的、用户自定义的测量系统。

数据采集包括从信号源采集信号，将其进行数字化，存储分析并传递到个人PC上。

通用串行总线（USB）作为一种新的微机总线接口规范．具有便捷、易扩展、低成本、低干扰等特点，非常适合作为主机和外设之间的通信接口。

USB为数据采集设备/仪器与PC机之间的连接提供了一个费用低廉且简单易用的方案。

USB通讯技术的出现，使高传输速度、强纠错能力、易扩展性、方便的即插即用，有机的结合在一起。

USB技术虽然出现的时间并不长，但是由于它的种种优点，被越来越多的厂商和用户所接受.本次毕业设计（论文）设计了一种基于单片机和USB的高速数据采集系统的硬件及固件PDIUSBD12程序设计方案。

关键词数据采集系统；usb接口；单片机

4.7.8.9.10.11.14.26.27.31

Abstract

DataacquisitionusesacombinationofPC-basedmeasurementhardwareandsoftwaretoprovideaflexible,user-definedmeasurementsystem.Dataacquisitioninvolvesgatheringsignalsfrommeasurementsourcesanddigitizingthesignalforstorage,analysis,andpresentationonapersonalcomputer（PC）.AsanewinterfaceSpecification．theUniversalSerialBus（USB）hastheadvantagesofconvenient、expansibility、lowcostandanti—disturbance．SoitisfitforthecommunicationinterfacebetweenthehostandavailableperipheralsUSBdeliversaninexpensive,easy-to-useconnectionbetweendataacquisitiondevices/instrumentsandPCs.USBcommunicationtechnologycanenablehigh-speed,strongerror-correctingcapabilities,easyextensibility,plug-and-playconvenience,combinedwithorganic.USBtechnologyisnoteveninthefaceofalongtime,butbecauseofitsmanyadvantages,moreandmoreacceptedbymanufacturersandusers.ThisthesisintroducetothehardwareandsoftwaredesignforthehighspeeddataacquisitionsystembasedonSinglechipmicrocomputerandUSB.

Keywordsdataacquisition；universalserialbusinterface；Singlechipmicrocomputer

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章绪论 1

1.1研究的背景及目的 1

1.2国内外研究现状及已有成果 1

1.3课题的研究方法和内容 2

第2章总体方案设计 3

2.1芯片比较 3

2.1.1单片机选型 3

2.1.2USB接口芯片的选择 3

2.2系统的原理及其组成 5

第3章系统的程序设计 7

3.1系统的硬件设计 7

3.1.1PDIUSBD12的性能特点和内部结构 7

3.1.2PDIUSBD12的端点描述 9

3.1.3PDIUSBD12的指令集 10

3.1.4PDIUSBD12的管脚配置 11

3.1.5A/D与单片机接口电路 13

3.1.6PDIUSBD12与单片机接口电路 14

3.2系统的软件设计 14

3.2.1PDIUSBD12的固件编程思想 14

3.2.2PDIUSBD12固件编程的结构 15

3.2.3PDIUSBD12固件编程的实现 17

3.2.4端点处理程序 18

3.2.5主循环MAINLOOP.C 21

3.2.6驱动程序开发工具的介绍 22

3.2.7USB设备驱动程序设计 23

3.2.8USB设备驱动程序的调用 24

第4章方案设计的分析及本研究的创新策略 26

4.1方案的可行性、实验过程、数据的处理及分析 26

4.1.1系统硬件设计分析 26

4.1.2系统软件设计分析 26

4.2本次设计的创新与改进 27

结论 29

致谢 30

参考文献 31

附录A 32

附录B 43

43

第1章绪论

1.1研究的背景及目的

信息技术与电子技术的迅猛发展，使得计算机和外围设备也得到飞速发展和应用。

过去人们单纯追求计算机与外设之间的传输速度，现在纠错能力和操作安装的简易性也成为人们关注的目标。

USB通讯技术的出现，使高传输速度、强纠错能力、易扩展性、方便的即插即用，有机的结合在一起。

USB设备需要依据USB协议进行数据的解包与打包，底层硬件设备与操作系统之间需要以驱动程序为桥梁。

驱动程序以WDM为模型，以DDK为开发工具，以IRP为消息传播载体，来实现与Windows系统底层核心机制向交互的功能。

随着控制系统的日益复杂，所要采集的量也会越来越多。

因此寻求一种高速、安全、方便的通讯形式是十分必要的。

USB技术虽然出现的时间并不长，但是由于它的种种优点，被越来越多的厂商和用户所接受，出现了USB打印机、摄像头等产品。

随着pc机日益广泛的应用,其外设也逐日增多,但pc机接口的数量是一定的,这就限制了pc机挂接外设的数量。

在很多应用场合,如工业数据采集,常使用采集板卡来完成工作,采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰,而且受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制,不可能挂接很多设备,而通用串行总线可以很容易的实现高可靠性、多点的数据采集。

1.2国内外研究现状及已有成果

在国际和国内，现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要进行高速数据采集。

现在研究通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡,A／D卡及422、485卡或ISA卡，存在以下缺点：

安装麻烦、价格昂贵、受计算机插槽数量、地址、中断资源限制、可扩展性差，同时在一些电磁干扰性强的测试现场，可能无法专门对其做电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真。

传统的外设与主机的通讯接口一般是基于ＰＣＩ总线、ISA总线或者是RS－232C串行总线。

PCI总线虽然具有较高的传输速度（132Mbps），并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限（一般为5～6个），ISA总线显然存在同样的问题。

RS－232C串行总线虽然连结简单，但其传输速度慢（56kbps），且主机的串口数目也有限。

随着时代的发展，1995年康柏、微软、IBM、DEC等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准，就是通用串行总线USB。

该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展、使用灵活等优点，已逐渐成为现代数据传输研究的发展趋势。

基于单片机和USB的高速数据采集充分利用USB总线的上述优点，有效解决了传统高速数据采集的缺陷。

在国内外研究中，高速数据采集领域在很多方面均有应用，例如采用AVR单片机ATmegal28作为主控制器，通过基于CH375的USB接口实现数据传输。

给出了高速模数转换及USB接口的电路原理，实现USB数据传输的上、下位机的程序设计。

经实验测试，该系统采集速度快，死时间小，计数率高。

该系统采集速率最高可以达到5MS/s，有软件触发、后触发、前触发三种采集模式，已成功应用到高速数据采集领域，它适用于作用大范围场地的辐射监测系统。

1.3课题的研究方法和内容

本次设计主要基于单片机和USB接口的数据采集。

控制系统的硬件模块主要是由A/D转换器、D/A转换器、微处理器、USB接口控制芯片、串行口控制芯片、放大器等组成。

本数据采集和控制系统是以飞利浦公司的PDIUSBD12作为系统的微控制器，管理和控制整个系统。

该芯片集成度高，与51单片机兼容，有效的解决了传统高速数据采集的缺陷。

本文内容安排如下：

第一章对基于单片机和USB的高速数据采集进行了综合，首先介绍了粒子单片机和USB的高速数据采集研究背景及目的，接着对单片机和USB的高速数据采集的国内外研究现状和相关领域中已有的研究成果进行了说明。

第二章对本次毕业设计的总体方案与选择的论证进行了说明。

首先介绍了单片机芯片和USB接口固件的选择，接着论证了总体设计方案。

第三章对系统的硬件与软件部分进行了设计计算。

包括对PDIUSBD12的多方面介绍、与单片机的连接，系统程序设计等等。

第四章对研究设计进行分析，对内容中的创新，改进及实际意义进行说明。

第2章总体方案设计

2.1芯片比较

本文应用了单片机芯片和USB接口固件，下面对其进行介绍。

2.1.1单片机选型

当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。

常用的单片机有很多种：

Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond（华邦）W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。

我们最终选用了ATMEL公司的AT89C52单片机。

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。

本次设计选用AT89C52。

2.1.2USB接口芯片的选择

基于USB的外置式硬件电路的设计核心是USB控制器的选择，在进行一个具体的USB设备开发之前，首先要根据具体要求选择合适的USB控制器，整个USB外围设备的设计将围绕该控制器展开。

在选定USB控制器以后，如果是带USB接口的单片机，则是一般单片机应用系统的开发;若是USB外设接口芯片，就是USB外设接口芯片与单片机应用系统的接口问题。

一般USB接口芯片都支持多种并行总线结构（复用/非复用），可以方便地与多种单片机连接。

目前，市场上可供选择的USB接口芯片很多，按照功能基本上分为两类:

一类是纯粹的USB接口芯片或通用USB外设接口芯片（也称USB设备器件）;另一类是带有USB接口芯片的单片机（也称USB主控制器）。

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