杜聿基于USB接口的数据采集装置Word格式.docx
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USB固件程序在keilC中完成，实现C8051F330的初始化，最终通过测试仿真实现数据的接收、保存、和显示功能，从测试的结果中可得出此系统性能良好，能达到设计的预期效果。
关键词：
USB，数据采集，C8051F330
USB-basedDataAcquisitionDevice
Abstract
Therapiddevelopmentofinformationtechnologyandelectronictechnology,makingcomputersandperipheralshasalsobeenrapiddevelopmentandapplicationinthefieldofscientificresearchandproductionsituationscommontothedataacquisitiontechniques,andthevariousrequirementsofdatacollectionhavebecomemoresophisticated.Traditionalmeansofcommunicationduetothetransmissionspeedisslow,weakanti-jammingcapability,installationtrouble,andotherreasons,aseriousimpedimenttothedevelopmentofdataacquisitiondevices,anewgenerationofUniversalSerialBus（UniversalSerialBus,orUSB）transmissionline,fast,andsupportshotplugandeasytoextend,tosolvetheaboveproblem,theserialbustechnologyhasbeenwidelyappliedincomputersystemsandcommunicationsequipmentquickly.
Inthispaper,analysisoftheUSBbussystemstructureandcharacteristics,fortheshortcomingsofthetraditionalbus,onthebasisofthisstudyhadaUSBdataacquisitionsystem,basedonthesystemshouldreachthespecificationsinordertodeterminethesystem'
soverallframeworkandthevarioussub-chipofchoice.Thetwopartsoftheentiresystemincludinghardwareandsoftwaredesigntoachievehigh-speeddataconversionandacquisition,datadisplay,datapreservationanddataprint.
Thehardwareofthesystemdataacquisition,anddatacollectedissenttotheUSBcontrollerthroughtheUSBinterfacetotransferdatatoaPC.ThehardwaredesignincludingtheUSB2.0hostcontroller（TheC8051F330）peripheralcircuitdesignandgeneralCH375USBinterfacechip,powersupplydesignpart.Thechoiceofeachchipinthehardwaredesignisbasedontechnicalindicators,eachpartoftheconnectionbetweenthechipoperatingmodesandsystemstoachievethefunction.Eachpartofthearticlegivesthereasonsandhardwarechipselectconnectionschematic.
ThesystemsoftwaresectionincludestheUSBfirmware,devicedriversanduserinterfaceprogram.USBfirmwarekeilC,toachievetheinitializationoftheC8051F330andeventuallypassthetestsimulationdatareception,preservation,anddisplayfunctionsfromthetestresultscanbedrawnfromthegoodperformanceofthissystem,designedtoachievethedesiredresults.
Keywords:
USB，dataacquisition，TheC8051F330
目录
1绪论1
1.1课题研究的背景及意义1
1.2USB技术发展趋势及优缺点分析1
1.2.1国内外应用现状及发展趋势1
1.2.2USB的优势和局限性3
1.3课题主要研究内容4
2USB总线基本理论5
2.1USB的互连6
2.1.1USB的互连概述6
2.1.2总线逻辑拓朴结构7
2.2USB的主机8
2.3USB驱动（USBD）10
2.3.1USBD命令工具功能12
2.3.2USBD通道设施14
2.4USB设备14
2.4.1USB设备状态15
2.4.2通用USB设备操作15
2.4.3USB设备请求17
2.5USB的物理层18
2.6USB数据流19
2.6.1同步传输（IsochronousTransfer）20
2.6.2中断传输（InterruptTransfer）20
2.6.3批传输（BulkTransfer）21
2.7数据采集系统21
3整体系统方案的选定及硬件设计23
3.1方案选择23
3.1.1方案一23
3.1.2方案二24
3.1.3方案三24
3.2数据采集系统的硬件设计25
3.2.1USB数据采集系统的性能指标25
3.3器件介绍25
3.3.1C8051F330芯片25
3.3.2CH375芯片26
3.3.3系统硬件的结构28
3.4接口硬件设计28
3.5MCU外接电路30
3.5.1外部时钟电路30
3.5.2外部复位电路30
3.5.3电压基准电路31
3.5.4保护电路31
3.6系统总原理图31
4系统程序设计33
4.1数据采集模块的设计33
4.2数据传输控制33
4.3固件程序设计35
结论41
参考文献42
致谢44
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统，它主要完成数据信息的采集、A/D转换、压缩处理，然后通过PC接口总线将处理后的数据送入计算机作进一步处理。
随着计算机技术的飞快发展和普及，以数据采集系统为核心的设备也迅速在国内外得到了广泛的应用，现代工业生产和科学研究对数据采集的要求越来越高，如在工业控制中现场数据的采集，温度、压力等数据的采集，在比较重要场所安装的监控设备，还有视频会议、可视电话等场合中，都需要进行高速数据采集[1]。
现在常用的采集方式是数据采集板卡，常用的有A/D采集卡以及422、485等总线板卡，采用板卡不仅安装麻烦，价格昂贵，容易受到机箱内环境的干扰，通讯过程中极易产生错误，而且由于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，在一些电磁干扰性强的测试场所，可能无法专门对其作电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真，针对上述问题，急需采用新的技术解决。
通用串行总线（UniversalSerialBus）的出现，很好的解决了以上这些问题。
它是由Compaq、Hp、Intel、Lucent（朗讯）、Microsoft、NEC和Philips七家公司联合推出的新一代标准口总线，该总线是一种连接外围设备的机外总线，最多可连接127个设备[2]，为微机系统扩充和配置外部设备提供了方便，不仅解决了I/O插口不够的问题，而且建立了一条连接和访问外设的方法，这些方法可以有效的减少总体成本，减少硬件冲突。
因此，我们能够利用USB总线接口比较容易的实现低成本、高可靠性的多点数据采集系统。
由于USB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、摄像机等产品。
尽管目前USB接口的应用主要集中在电脑的周边外设，但是USB产品进入工控领域将是必然的趋势，所以本课题的研究是具有一定的现实意义和经济意义的。
1.2USB技术发展趋势及优缺点分析
1.2.1国内外应用现状及发展趋势
USB设备的应用目前在国内外都处于高速发展阶段，国内外很多的企业也已经推出了很多能适应不同条件、不同精度要求等情况的USB数据采集系列产品。
典型的是美国国家仪器有限公司（NationalInstruments，Nl）公司研制的一系列USB数据采集卡，Nl于2005年8月推出了八款最新USBZ.O高速数据采集设备，从而扩展了其业界领先的高性能USB数据采集设备USB一9000系列产品，实现了高达800ks/s的采样率[3]。
此后新推出的USB2.0高速设备包含免费的交互式数据记录软件，以供分析之用，可以实现数据记录，并将输出结果导入像MicrosoftExcel的电子数据表程序。
凭借总线驱动、即插即用的连接功能，该系列新款设备使得NIUSB一9000高品质的USB数据采集设备系列如虎添翼，但是Nl公司的USB数据采集卡系列产品的价格都比较昂贵。
USB设备在国内的应用已经起步，并且发展并速度快，水平不断提高.在几年前，对于国内大多数普通的计算机用户来说，USB还是个比较新鲜的名词，那个时候，市面上能够买到的USB设备是非常有限的，基本局限于常用的计算机外设，比如说USB光驱、打印机，后来高端一点的MP3等等。
随着USB体系结构的逐步完善，USB被越来越多的厂商所支持和推崇，也将应用到更广的领域，市场上国内的主要产品有北京优采公司UA300系列、四川拓普公司的UDAQ、UBOX、UCARD等系列。
国内在USB数据采集、USB工业控制等领域已经取得了一定的成果，在现实中得到成功的应用。
目前基本普及的USB2.0协议，数据传输速率高达480MbPs，如此高的传输速率能用于1.O的传输速率所无法满足的地方，如高实时性要求的工业设备控制、动态图像实时传输等，随着时代的进步和技术的发展，USB必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。
国内有一些厂商为USB设备的研发提供软硬件支持，这在很大程度上降低了开发难度，减少了开发时间，提高了开发质量和效率USB2.O接口凭借低成本、高性能、可靠稳定、方便灵活的特点，将逐步成为微型计算机的主要输入输出方式，2008年以intel为首的七家公司又推出了USB3.0协议，这无疑又是USB发展的另一个春天。
总而言之，目前国内对USB数据采集设备的研制己经取得了可喜的发展，但是与国外相比，在开发和应用的深度和广度而言，还有相当的一段距离，现场数据采集要求比较高的场合多基本都是是采用的国外产品。
因此，随着计算机对USB接口的普及和实际应用中对数据采集卡要求的提高，利用USB2.0协议规范开发符合多种场合的数据采集系统，以及此领域内先进产品的国产化等都成了巫待解决的现实问题。
1.2.2USB的优势和局限性
USB支持各种PC与外设之间的连接，还可实现数字多媒体集成。
现在的PC几乎都配备了USB接口，很多操作系统都增加了对USB的支持，USB总线具有以下优势：
1）设备安装和配置容易。
USB设备支持即插即用，安装USB设备不必开机箱，加减已安装过的设备，完全不用关闭计算机。
所有USB设备支持插，系统对其进行自动配置，不再占用中断资源或者DMA资源，彻底抛弃去的跳线和拔码开关设置。
USB为接缆和连接头提供了单一模型，解决了越来越多造成的插槽紧张问题。
2）接口数目多。
每个USB主机都通过USB集线器，可以同时挂接最多8个外围设备，有效地解决了多点数据采集系统I/O口不够用的问题。
3）数据传输速度比一般串行总线（如RS232，RS485等）快。
USB1.1的接口最快可以达到12MbPs，可以满足绝大多数多点数据采集系统的要求，键盘、鼠标、Medem、游戏手柄以及摄像头等设备的要求。
在PC主机和采统都具备支持USB2.0标准的接口芯片时，最快可以达到48OMbPs，可以满速数据采集的要求[4]，而目前主流的USB.0最高传输速率可达到5Gbps。
4）有总线电源保护。
系统连续3ms没有总线活动，USB自动进入挂起状态。
5）性价比的优势。
具有廉价的电缆和连接头，并以低廉的价格提供传率为1.5Mb/s的子通道，将外设和主机硬件进行了最优化的集成，促进了低外设的发展。
6）支持四种传输模式。
这四种传输模式分别为:
中断传输、批量传输、步传输和控制传输。
尽管USB的应用领域越来越宽，但是它也有其发展的局限性，其局限要表现为:
1）距离的限制。
USB协议规定单条USB的长度不能超过sm，同时可过集线器的方法将其进行连接，最多可以接入5个集线器将线缆距离延30m。
对于一般的应用场合，这一距离已经基本能够满足用户的需求，但USB接口引入特殊的应用场合时便显得有些力不从心。
2）协议复杂，开发难度大。
3）测试困难大。
4）测试过程容易受环境影响，从而影响结果的稳定性。
1.3课题主要研究内容
鉴于USB总线的发展技术的成熟以及它的诸多优点，本课题主要研究数据采集系计算机通过USB接口通讯的基本方法，本论文所设计的数据采集系统是在单片机C8051F330控制下进行数据采集，并通过沁恒公司的USB总线接口芯片CH375上传给PC机进行分析、显示和存盘。
该系统用传统的USB总线取代了RS232串行总线，通过对USB协议和设备构架的充分理解，对以单片机C8051F330和USB接口芯片CH375为主的数据采集系统进行了硬件设计和软件编程[5]，并在此设计的基础上给出相应的原理图。
硬件设计主要解决的是CH375与单片机的接口电路的设计[6]。
软件设计主要是充分了解CH375的主要功能特点，为满足CH375在USB上的最大传输速率而编写固件程序并编写出界面友好、具有强大的数据处理和分析能力的应用程序。
2USB总线基本理论
传统的计算机外部设备一般都是使用并口（ParallelPort）和串口（serialPort）与计算机相连。
这两种端口在计算机上使用了很多年，物理层的协议己经相当成熟，但却己经无法满足目前计算机设备不断提高的速度和使用要求。
串口使用的协议是RS-232串行通讯标准，适用于设备之间的通讯距离不大于15m，传输速度最大为20KB/S的场合。
它的优点主要是开发方便，几乎所有的硬件开发人员都能很容易地使用串口实现设备与计算机间的通讯。
并口使用的是并行通讯协议，在开发和使用上都不是很方便，但它的速度较串口有很大的提高，要达到每秒1M字节以上的传输速度并不困难。
这些传统的端口和总线协议都比较简单，一般只对物理层做了一些定义和约束，并没有涉及到设备和计算机的具体通讯行为和网络模型。
这使得开发者在开发时有了很大的灵活性，但也带来了兼容性的问题。
以上所提到的种种因素，促使硬件开发商不得不推出了一些新型的总线协议，以适应当前计算机和设备的需要。
从20世纪90年代以来，有很多串行总线问世，其中最成功之一的便是以Intel为首的七家公司于1994年推出的USB协议[7]。
USB（UniversalSerialBuS）规范的前身是ACCESS.bus规范，后由Intel为首的七家公司于1994年11月共同提出第一个USB规范，目的是为了简化计算机和外设的连接，提高计算机和外设传递信息的速度。
为了普及和使用这一技术，1995年由USB-IF论坛对其进行了标准化，并制订出相应的技术规范USB1.0，1998年9月推出的USB1.l规范（USB1.0和USB1.1统称USB1.X），对USB1.0存在的问题做了全面的修订，并且增加了一个新的传输类型—中断传输。
但是由于在Win98以前的操作系统均不支持USB，使得它的推广受到影响，支持USB的外设也非常少。
自从Win98操作系统于1998年7月推出以后，这一技术才真正进入实用阶段，支持USB的外设也日益增多，像USB键盘、USB鼠标、USB相机、USBCD-ROM等等。
由于USB1.X的最高数据传输率为12MBps，阻碍了它的进一步发展，为了提高USB数据传输速度，增强计算机和音、视频设备传送信息的实时性，USB-IF于2000年4月发表了USB2.0，在原来USB1.1的基础上增加了高速模式，数据传输率可达到480Mbps，并向下兼容USB1.1。
由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB3.0PromoterGroup于2008年11月公开发布制定的新一代USB3.0标准，最大传输带宽高达5.0Gbps，同时在使用A型的接口时向下兼容。
USB2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而USB3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，故而支持双向并发数据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原因。
除此之外，USB3.0还引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态。
一个USB系统主要被定义为三个部分：
·
USB的互连；
USB的设备；
USB的主机。
2.1USB的互连
2.1.1USB的互连概述
USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面：
·
总线的拓扑结构：
USB设备与主机之间的各种连接方式；
内部层次关系：
根据性能叠置，USB的任务被分配到系统的每一个层次；
数据流模式：
描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式；
USB的调度：
USB提供了一个共享的连接。
对可以使用的连接进行了调度以支持同步数据传输，并且避免的优先级判别的开销。
总线拓朴结构包括四个重要的组成部分。
主机和设备：
USB系统的基础组成部分。
物理拓朴结构：
描述USB系统中的各组成部分是如何连接起来的。
逻辑拓朴结构：
描述USB系统中各种组成部分的地位和作用，以及描述从主机和设备的角度观察到的USB系统。
客户软件层与应用层的关系：
描述从客户软件层看到的应用层的情况，以及从应用层看到的客户软件层的情况[8]。
图2.1USB物理总线的拓扑
图2.1中的Hub是一类特殊的USB设备，它是一组USB的连接点，主机中有一个被嵌入的Hub叫根Hub（rootHub）。
主机通过根Hub提供若干个连接点。
为了防止环状连接，采用星形连接来体现层次性这种连接的形状很像一棵树。
用于提供具体功能的设备叫应用设备。
许多不同功能的设备放在一起被看作一个整体，叫包。
例如，键盘和轨迹球可以被视作一个整体，在它的内部，提供具体功能的设备被永久地接到Hub上，而这个Hub被接到USB上。
所有这些设备及这个Hub被看作一个复合设备，而这个Hub又被看作这个复合设备的内部Hub。
在主机看来，这个复合设备和一个带着若干设备的单独Hub是一样的[9]。
图中也标出了一个复合设备。
2.1.2总线逻辑拓朴结构
在物理结构上，设备通过Hub连到主机上。
但在逻辑上，主机是直接与各个逻辑设备通信的，就好像它们是直接被连到主机上一样。
这个逻辑关系如图2.2所示。
与之对应的物理结构就是图2.2中的结构。
Hub也是逻辑设备，但在图2.2中，为了简化起见，未被画出，虽然USB系统中的工作都是从逻辑角度来看待的，但主机必须对物理结构有个了解。
例如，在处理Hub被移去的情况时，当一个Hub被移出，通过它与主机相连的设备也应一起被移去，这是由其物理结构决定的。
图2.2USB逻辑总线的拓扑
.客户软件层与应用层的关系
USB系统的物理上、逻辑上的拓朴结构反映了总线的共享性。
操纵USB应用设备的客户软件只关心设备上与它相关的接口，客户软件必须通过USB软件编程接口来操纵应用设备。
这与另一些总线如PCL，ELSA，PCMUA等不同，这些总线是直接访问内存或I/O的。
在运行中，客户软件必须独立于USB上的其它设备。
这样，设备和客户软件的设计者就可以只关心该设备与主机硬件的相互作用和主机软件的相互作用的细节问题。
图2.3说明了在图2.2的逻辑结构下，一个设备设计者看到的客户软件与相应应用的关系的视图。
图2.3客户软件和应用间的关系
2.2USB的主机
图2.4通信模型层次关系图
主机在整个USB系统中是唯一的，它包括如下几个层次。
USB总线接口
USB系
升级会员 