基于USB接口的便携式数字电路实验装置的设计毕业论文.docx
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基于USB接口的便携式数字电路实验装置的设计毕业论文
基于USB接口的便携式数字电路实验装置的设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
基于USB接口的便携式数字电路实验装置的设计
【摘要】：
USB接口的便携式数字电路实验装置包含两模块：
硬件设计和软件设计。
硬件方面以低功耗的单片机msp430为核心的模块，其主要特点：
超低功耗、高速、丰富的模拟数字接口、简单易用。
它可以进行数据处理和数字信号产生。
软件设计主要借助图形编程工具Labview，其主要特点性能高、扩展性强、开发时间少、无线集成。
可通过各种控件能自己组建各种仪器，模拟实验系统。
二者通过采用高速的USB进行数据传输，PC机端对信号进行分析和再现。
系统采用USB供电不仅可降低功耗，而且易于使用和携带。
【关键词】：
MSP430；USB通信；Labview；
[Abstract]:
USBinterfaceportabledigitalcircuitexperimentdevicecontainstwomodules:
hardwaredesignandsoftwaredesign.Hardwaredesignmainwithlowpowerconsumptionofthesinglechipmicrocomputermsp430asthecoremodule,itsmainfeatures:
lowpowerconsumption,high-speed、richanalogtodigitalinterface,easytouse.Itcancarryondataprocessinganddigitalsignalproduce.ThesoftwaredesignmainlybymeansofgraphicprogrammingtoolLabview,itmainlyhascharacteristicsofhighperformance,extensible,developmenttimeless,wirelessintegration.Throughallsortsofcontrolcanformvariousinstruments,simulationexperimentsystem，ByusingthehighspeedUSBfordatatransmission,PCmachineendtosignalanalysisandreproduction.USBpowersupplysystemisnotonlycanreducepowerconsumption,andeasytouseandcarry.
[Keywords]:
MSP430；USBTransmission；Labview
前言
“数字电子技术”课程是电子信息科学与技术、信息工程、通信工程、计算机科学与技术等众多专业的重要基础课，其实验环节非常重要。
数字电路的实验需要使用专用的实验箱,例如上海标普实验室设备有限公司的数字电路实验箱[1].这些传统的数字电路实验箱存在许多不足，体积较大，连线较多，这些实验通常只能在实验室进行,教师难于指导众多学生，同学们也很难将实验带回宿舍或在课外完成。
实现的功能难以扩展，很难激发同学们的兴趣，因此，很难适应时代发展的潮流，我们必须对其进行创新、改良。
数字电路涉及的芯片基本上是数字集成电路，其功耗越来越小，封装由原来DIP双列直插发展为各种SMT贴片形式，电源由5V为主，发展到3.3V甚至更低，集成度由SSI、MSI发展为LSI，由单一功能发展为PLD器件，但作为重要的专业基础课，其实验内容仍以简单的组合逻辑、时序电路为主。
实验装置仍由逻辑信号发生、逻辑信号检测以及相应的数字集成电路组成[6]。
实验装置中电路的连接以手工连线为主，信号控制以开关、按钮为主，信号指示以LED灯和数码管为主，因此传统的实验装置存在体积大不便携带，连线多容易出错，显示单一不直观，功能弱难以扩展。
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。
基于USB的高速数据采集与信号分析系统具有低成本、高性能的特点，能够广泛应用于测控、信号分析等多个领域。
USB接口技术为高速数据采集系统的研制开发变得简单和廉价[3]。
虚拟仪器（virtualinstrument，VI）是一种基于计算机的仪器，就是在通用计算机上加上软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的专用传统电子仪器。
将虚拟仪器与LabVIEW结合用于常规的数据采集与处理等任务，可以减少系统的开发时间，也可提高编程效率，节省系统成本。
基于USB接口的便携式数字电路实验装置配上笔记本电脑，可在教室、图书馆、宿舍和家里方便使用，这样会大大激发同学们的实验兴趣、提高独立实验能力，必定会深受同学们的喜欢。
在笔记本电脑或台式电脑上，实验内容、实验过程以及实验报告可形成电子文档，通过网络上交，从而真正实现无纸化实验，提高教学效率。
这些也符合“建立以学生为中心的教学模式,以激发学生实验兴趣、提高学生独立实验能力作为课程教学改革重点”的精神[4]。
第1章背景和意义
第1.1节数字电路实验装置的背景
1.1.1.基于USB接口的便携式数字电路实验装置背景
基于USB接口的概述
USB（UniversalSerialBus）通用串行总线是一种标准的连接接口，在把外围设备与计算机连接时，允许不必重新配置规划系统，也不必打开机壳，另外调整接口卡的指拨开关。
而连接上计算机时，计算机会自动识别这些接口设备，并且配置适当的驱动程序，无需用户再另外重新配置。
通过USB接口，实现了热插拔的特性，用户即可迅速方便地连接PC主机的各种接口设备。
另外，在连接PC机时，对所有USB接口设备，提供了一种“全球通用的标准连接器（A型与B型）。
这些连接取代了所有的各种传统外围端口，如串行端口、并行端口以及游戏接口等。
此外，USB接口还允许将多达127个外围设备同时串接到PC的一个外部的USB接口上。
这样，就不必像传统的串口或并口那样，一个端口仅能接一个外围设备。
相对的，对于接口设备的制造商而言，也能降低成本，因为他们不再需要为每一种接口设备分别设计与生产各种型号的产品。
因此，USB接口除了可作为标准接口设备的应用外，还逐渐成为各种新型设备（包括数据采集、测量设备等产品）的通用标准连接接口，颇有“一统江湖"的趋势。
同时，使用的MSP430单片机器件集成了全速/低速USB功能控制器，用于实现USB接口的外部设备（MSP430/1不能被用作USB主设备）。
USB功能控制器（USB0）由串行接口引擎（SIE）、USB收发器（包括匹配电阻和可配置上拉电阻）、1KBFIFO存储器和时钟恢复电路（可以不用晶体）组成，不需要外部元件。
USB功能控制器和收发器符合通用串行总线规范2.0版。
综上所述，USB接口具有如下优点：
●使用方便
使用USB接口可连接多个不同的设备；支持热插拔。
在软件方面，为USB设计的驱动程序和应用软件可自动启动，无须用户干预。
●传输速率高
USB支持三种传输速率：
低速（10w-speed）的1.5Mbps、全速（full．speed）的12Mbps及高速（high-speed）的480Mbps。
●连接灵活
USB采用“级联"方式，USB接口既可以连接USB设备，也可以连接USB集线器把多个USB设备连接起来。
通过这种类似菊花链式的连接，一个USB控制器最多可连接127个外设，而每个外设之间的距离可达5m。
●独立供电
USB接口包含了+5V的电源线与地线，可由PC机或集线器提供电源。
500mA下，在USB外围设备可以直接使用由USB端121提供的电源。
●低功耗
USB有一套独特的电气层机制来保证其低功耗。
USB协议为设备定义了两种供电模式：
自供电和总线供电。
USB外围设备处在待机状态时，会自动启动省电的功能来降低耗电量。
●可靠性高
不管是硬件的设计还是数据传输的协议，USB都很稳定。
USB驱动程序、接收器以及电缆的硬件规范，都会尽量减少噪声的干扰来所导致的错误数据。
另外，USB协议一旦检测到数据有错误，就会要求发送端重新传送数据。
1.1.2.便携式数字电路实验装置的便携性的概述
便携性主要体现在实验箱的体积上和操作的方便性上，体积上，数字电路实验装置采用MCU或单片机、可编程逻辑器件（CPLD或FPGA）和通用IC测试插座，利用USB接口与计算机连接，这样，硬件上器件大大减少，利用USB通信接口进行供电，减少了电源电路，利用上位机（PC机）做人机界面，大大减少了显示方面的硬件，在操作上面的便携性体现在信号的自动产生和检测，这方面有采用MCU或单片机、可编程逻辑器件（CPLD或FPGA）和通用IC测试插座来自动检测，人工操作量有较大的减少。
同时还可以利用USB可以互相连接，从而解决多个实验箱间通信间问题，在实验的多样性和器件的扩展性方面有较大改进，如图普通连线（1-1-1）和图（1-1-2）扩展时候的连线示意图。
图11-1基于USB接口的便携式数字电路实验装置的连接示意图
图11-2扩展实验时的连接示意图
第1.2节USB的产生背景及其发展历程
随着计算机的广泛应用，计算机外设也在不断更新。
计算机接口负责计算机内外设备之间的信息交换。
由于外设种类繁多，在设计计算机系统时，就必须预留出尽可能多的I／O接口，这将造成系统成本过高，外设连接过于繁琐。
为了降低成本，各计算机厂商推出了自己的接口规范，产生了外设总线的概念，旨在提高各种外设接口的兼容性，同时实现外设的自动识别和配置。
目前，在工业控制和仪表行业广为使用的总线和接口标准主要有ISA，PCI，RS-232，RS-485等，它们各有各的缺点：
或者传输速率低，或者不支持即插即用，安装麻烦，或者扩展能力差，或者稳定性差，或者功耗大，或者传输距离短，或者兼容性差。
如果不采用新的总线和接口标准，仪器仪表行业的发展必将受到较大的制约。
为了解决PC机在发展过程中所遇到的问题，1995年由Compaq、DigitalEquipmentCorp。
（现在属于Compaq）、IBM等七个计算机与通信工业领先的公司组成的联盟推出了一种新的总线标准USB（UniversalSerialBus，通用串行总线．）。
同一年，该联盟建立了USB实施者论坛—USB-IF（USB．ImplementersForum）来加速USB标准的高质量兼容设备的开发。
在1996年，USB．IF公布了USB规范1.0，这是第一个为所有的USB产品提出设计请求的标准。
1998年，在进一步对以前版本的标准进行阐述和扩充的基础上，发布了USB标准的1．1规范。
而此时联盟仅剩四个核心的成员公司，它们是Compaq、Intel、Microsoft和NEC公司。
由于USB的方向已偏离了通信的相关领域，使得IBM和NorthernTelecom退出了该联盟。
这样，也造成了目前应用于电话的USB设备的发展仍然稍微缓慢一些。
第三个版本的USB2.0是发布于1999年。
此时，Hewlett、PackardPhilips和Lucent三个公司加入了USB-IF联盟，使得联盟的核心成员数又重新恢复为七个。
USB2.0在USBl.1的基础上增加了高速数据传输模式。
USB2.0将USBl．1的传输速率提高了40倍达到了480Mbps，并且完全兼容USBl．1。
2001年12月，USB-IF公布了USBOTG（On-The．Co）补充条款，USBOTG作为USB2.0规范的补充，实现了在没有USB主机的情况下，设备间的数据传送。
USBOTG技术主要应用于各种不同设备或移动设备间的联接。
USB接口自提出以来，凭借其即插即用，热插拔，接口体积小巧，节省系统资源，传输可靠，提供电源，良好的兼容性，共享式通信和低成本等优点，迅速在PC机接口领域流行，特别是USB2．0技术提出后，USB传输速率理论最高可达480Mbps，USB接口已成为目前PC机接E1的发展趋势。
同时可以预见，USB的应用将会越来越广泛，其传输速率也会越来越高。
第1.3节本课题研究意义和要求
早期常见的数据通信系统一般通过传统接121如RS232串口、并121或PCI总线与PC机进行通信。
串口连接方式简单，但传输速度有限；并口传输方式的数据线连接复杂，传输距离较近，而且在Windows环境下开发消息驱动方式较麻烦；PCI总线已无法满足PC机发展的速度，过多的I／O接口也会增加芯片的成本，并且PCI扩展槽在PC机的内部，应用时需要打开机箱后盖，不支持即插即用，使用非常不方便。
本课题所设计研究的基于USB接口的便携式数字电路实验装置，由于引入了USB这种新型的通信接口，使得整个系统不再那么庞大，且连接方便，支持即插即用，其数据传输速度远远高于普通的串口和并口，它的应用对数据采集系统的设计增添了亮点，也为USB外围设备的开发增加了经验，本设计为以后USB接口应用于类似单片机、ARM嵌入式系统及DSP系统，提高数据传输速率，降低开发成本，减少硬件电路，节省电源等方面打开了新的局面。
USB通用串行总线（UniversalSerialBUS）易于使用、数据传输快速可靠、灵活、可支持多种设备同时连接，成本低、功耗低，目前已成为PC机的首选通信口，USB外设从鼠标、键盘、游戏手柄、音箱到优盘、MODEN、网络电话、扫描仪、数码相机、摄像头、显示器、打印机等应有尽有。
此外，各种家用电器，如电视机、投影机、影碟机，各类控制仪器仪表等，也纷纷将USB接口作为其标准接口，使得相互之间的连接更加方便、数据传输更加快捷。
目前，带USB总线的产品越来越多，其优越性也更加显现，USB的应用必将向着更深和更广的方向发展。
作为电子产品设计人员和电子爱好者，了解USB及其相关技术，进而将其应用于自己的产品设计之中，无论是对于提高产品的性能，还是对于提高个人的设计水平，使之适应现代电子技术发展的要求，都是十分重要的。
第2章系统分析
第2.1节硬件分析
2.1.1.MCU控制核心的选择与分析
MCU控制芯片的选择
本系统是基于USB接口的便携式数字电路实验装置，所以自带USB硬件电路的控制芯片是最佳选择，我们了解到MSP430F147、MSP430F148、MSP430F149均有此功能，所以他们均可使用，暂定于MSP430149作为控制芯片，其引脚图如图2-1-1所示，引脚说明如表2-1-2所示。
图2-1-1MSP430F147,MSP430148，MSP430149封装和引脚图
引脚
名称
序号
I/0
说明
AVcc
64
模拟电源正端，只为ADC和DAC的模拟部分供电
AVss
62
模拟电源负端，只为ADC和DAC的模拟部分供电
DVcc
1
数字电源正端，为所有数字部分供电
DVss
63
数字电源负端，为所有数字部分供电
P1.0/TACLK
P1.1/TA0
P1.2/TAl
P1.3/TA2
P1.4/SMCLK
P1.5/TA0
P1.6/TAl
P1.7/TA2
12
13
14
15
16
17
18
19
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
通用数字I/O引脚；Timer_A时钟信号TACLK输入
普通数字I/O引脚；Timer_A捕获：
CCIOA输入；比较：
OUT0输出
普通数字I/O引脚；Timer_A捕获：
CCI1A输入；比较：
OUT1输出
普通数字I/O引脚；Timer_A捕获：
CCI2A输入；比较：
OUT1输出
普通数字I/O引脚/SMCLK信号输入
普通数字I/O引脚；定时器A，比较：
OUT0输出
普通数字I/O引脚；定时器A，比较：
OUT1输出
普通数字I/O引脚；比较器A，比较：
OUT2输出
P2.0/ACLK
20
I/O
普通数字I/O引脚/ACLK输出
P2.1/TAINCLK
21
I/O
普通数字I/O引脚/定时器A:
时钟信号INCLK
P2.2/CAOUT/TA0
P2.3/CA0/Tal
P2.4/CA1/TA2
P2.5/Rosc
P2.6/ADCl2CLK
P2.7/TA0
22
23
24
25
26
27
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
普通数字I/O引脚/定时器A:
捕获:
CCIOB输入/比较器_A输出
普通数字I/O引脚；定时器A：
比较：
OUTl输出/比较器_A输入；
比较器A输入
普通数字I/O引脚；定时器A：
比较：
OUT2输出/比较器_A输入
升级会员 