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单片机如何与USB接口相连接?其硬件电路如何设计?
单片机如何与USB接口相连接?其硬件电路如何设计?
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数据接收存储技术革新是信号采集处理领域内的一个重要课题。利用这种技术,可以把信号的实时采集和精确处理在时间上分为两个阶段,有利于获得令人更满意的处理结果。在无线数传接收设备中应用数据接收存储方法时,除了要满足数据传输速率和差错控制方面的要求外,还需要考虑如何使设备易于携带、接口简单、使用方便。传统外设接口技术不但数据传输速率较低,独占中断、I/O地址、DMA通道等计算机系统关键资源,容易造成资源冲突问题,而且使用时繁杂的安装配置手续也给终端用户带来了诸多不便。近年来,USB接口技术迅速发展,新型计算机纷纷对其提供支持。USB2.0是USB技术发展的最新成果,利用USB2.0接口技术开发计算机外设,不但可以借用其差错控制机制[1][6]减轻开发人员的负担、获得高速数据传输能力(480Mb/s),而且可以实现便捷的机箱外即插即用特性,方便终端用户的使用。1&无线数传接设备总体构成无线数传接收设备是某靶场测量系统的一个重要组成部分。如图1所示,该设备由遥测接收机利用天线接收经过调制的无线电波信号,解调后形成传输速率为4Mb/s的RS-422电平差分串行数据流。以帧同步字打头的有效数据帧周期性地出现在这些串行数据中。数据转存系统从中提取出有效的数据帧,并在帧同步字后插入利用GPS接收机生成的本地时间信息,用于记录该帧数据被接收到的时间,然后送给主机硬件保存。在无线数传接收设备中,数据转存系统是实现数据接收存储的关键子系统。下面将详细介绍该系统的硬件实现及工作过程。2&数据转存系统基本构成及硬件实现数据转存系统主要由FPGA模块、DSP模块、USB2.0接口芯片构成,各个模块之间的相互关系如图2所示示。图中,4Mb/s的串行数据输入信号SDI已由RS-422差分电平转换为CMOS电平。为突出重点,不太重要的信号连线未在图中绘出。下面分别介绍这几个模块的主要功能。2.1&FPGA模块实现及春功能FPGA模块在Altera公司ACEX系列的EP1K30TI144-2芯片中实现。其中主要的功能子模块有:位同步逻辑、帧同步逻辑、授时时钟和译码逻辑。位同步逻辑主要由数字锁相环构成,用于从串行数据输入信号SDI中恢复出位时钟信号。帧同步逻辑从位同步逻辑的输出信号提取帧同步脉冲。两者为DSP利用其同步串行口接收串行数据作好准备。这样,利用一对差分信号线就可以接收同步串行数据,简化了印制电路板的外部接口。授时时钟在DSP和GSP接收机的协助下生成精度为0.1ms的授时信息。译码逻辑用于实现系统互联。2.2&DSP模块实现及其功能DSP模块是数据转存系统的主控模块,在T1公司16位定点DSP芯片TMS320F206[4]中实现。在DSP的外部数据空间还配置了32KX16的高速SRAM,可以缓存80余帧数据,用于提高系统的差错控制能力。DSP利用同步串行口接收FPGA送来的同步串行数据,利用异步串口接收GPS接收机送来时间信息(用于初始化FPGA授时时钟),利用外部总线接口访问FPGA授时时钟、外部SRAM、ISP1581的片内寄存器。可以看出DSP模块主要用于完成数据帧的接收、重组以及转存调度等任务。ISP1581芯片是PHILIPS公司推出的高速USB2.0设备控制器,实现了USB2.0/1.1物理层、协议层,完全符合USB2.0规范,即支持高速(480Mb/s)操作,又支持全速(12Mb/s)操作。ISP1581没有内嵌微处理器,但对微处理器操作了灵活的接口。在上电时,通过配置BUS&&CONF、DAO、MODE1、MODE0、DA1引脚电平可以适应绝大多数的微处理器接口类型。例如,通过BUS_CONF/DA0引脚,总线配置可以选择普通处理器模块(Generic&Phocessor&mode)中分割总线模式(Split&Bus&Mode);在普通处理器模式下,通过MODE0/DA1引脚可以选择读写选通为8051风格或者Motorola风格。在数据转存系统中,ISP1581用于处理主机的高速数据传输。它工作在普通处理器接口模式下,采用8051风格的读写选通信号,由DSP芯片TMS320F206控制。两者在选定工作方式下的信号连线如图3所示,图中未画出的信号引脚可以悬空,供电引脚的连接方式在参考资料[2]第46页有简明描述。在FPGA译码逻辑的作用下,ISP1581的片内寄存器被映射在DSP的片外数据空间中。DSP通过8位地址线选择要访问的寄存器,在读写选通信号的控制下,利用16位数据线与选定的寄存器交换数据。在访问ISP1581单字节寄存器时,数据总线高字节内容无关紧要。ISP1581通过中断引脚INT向DSP报告发生的总线事件,利用D+、D-引脚完成与主机的数据交换。3&数据转存系统的工作过程系统加电后,当FPGA配置过程结束时,如果有串行数据输入,位同步逻辑和帧同步逻辑便启动同步过程。同时,DSP片内FLASH中复位中断服务程序c_int0()[4]被立即执行,在建立好C语言的工作环境下,它会调用主函数main()。在main()中,需要安排好一系列有先后顺序的初始化工作。其中,ISP1581的初始化过程比较复杂,需要考虑设备采用的供电方式(这里为自供电[6]方式)、插接主机和系统上电的先后次序,并需要与USB总线枚举[1][6]过程相结合。在FPGA中的位同步逻辑和帧同步逻辑均进入同步状态,且DSP主控模块配合主机完成初始化任务后,即可启动数据的传输过程。下面介绍一下ISP1581的初始化过程及DSP控制的数据帧的接收机转存流程。3.1&ISP1581的初始化在初始化过程中,首先需要设置影响ISP1581自身工作方式的一些寄存器,然后与主机端USB系统配合进行,应答来自主机端的设备请求。当数据转存系统板作为USB&2.0设备通过连接器连到主机USB根集线器上的一个端口时,主机便可检测到这一连接,接着给该端口加电,检测设备并激活该端口,向USB设备发送复位信号。设备收到这一复位信号后,即进入缺省状态,此后就能够通过缺省通信通道响应主机端送来的设备请求。主机通过描述符请求(GET_DESCRIPTOR)获得设备端的详细信息,通过设置地址请求(SET_ADDRESS)设置设备地址,通过设置配置请求(SET_CONFIGURATION)选定合适的设备配置。在设备成功响应了这些设备请求之后,就可以与主机通信了。在响应主机请求的过程中,DSP需要配置ISP1581的端点以实现不同类型的传输通道。根据数据传输速率的要求,除了缺省的控制通道外,系统中实现了一个批传输(bulk)[1]类型的输入通道。这样,ISP1581就可以像FIFO一样方便地从数据转存系统向主机传输数据,而且具有差错控制能力,简化了设备端软件设计的复杂性。3.2&数据帧的接收转存过程系统正常工作时,需要与主机端程序相互配合。主要端需要开发者实现的程序包括设备驱动程序和应用程序。在Windows&2000操作系统下,USB设备驱动程序为WDM模型的驱动程序,开发环境DriverStudio为WDM型驱动程序提供了框架结构,使得驱动开发变得非常容易(参见参考文献[5]第八、九、十章)。驱动程序接收应用程序的请求,利用USB总线驱动程序(US-BD)和主机控制器驱动程序(HCD)通过主机控制器安排USB总线事务,设备端则根据这些事务调度相应的数据帧的传输。关于主机端口如何安排总线事务可以查阅参考文献[1]。以下着重介绍设备端数据的调度过程。数据帧的接收转存过程主要由DSP负责,DSP在外部SRAM中建立了一个数据帧的队列,如图4所示。系统主要工作在中断驱动模式下,与同步串行口相关的中断服务程序负责建立队列的尾部,对应于ISP1581中断引脚INT的中断服务程序负责建立队列的头部。当以帧同步字打头的一帧数据以串行位流的形式到来时,FPGA产生的帧同步脉冲可以直接启动DSP同步串行口接收数据,该同步脉冲同时以中断方式通知DSP为一帧数据的接收做好准备。DSP接到通知后,首先检查外部SRAM中是否有足够的空间容纳一帧数据。如果没有空间,则丢弃当前数据帧(根据设计,这种情况是很少见的);如果有空间,则为当前数据帧保留足够的空间。接着在帧起始位置填写帧步字,读取授时时钟的当前值并填写在帧同步字后。这样,一个新的数据帧(图4中数据帧F_N)就建立了,但是并没有加入到队列中,而是要等待来自同步串行口的后继数据嵌入该帧中后再加入到队列中。同步串行口的接收缓冲区在接收到若干字(由初始化时的设置决定)后,会向DSP提出中断请求。在中断服务程序中,DSP读取接收缓冲区中的内容,并将其填入上述新开辟的帧F_N中。在一帧数据接收完毕后,就将该帧添加到队列的尾部,表示该帧数据已经准备好(图4中数据帧F_R),可以通过ISP1581送给主机硬件保存。DSP在查询到队列中有已经准备好的数据帧存在时,就设置ISP1581的端点索引寄存器(Endpoint&Index&Register)使其指向初始化时配置的批传输输入端点,然后将队列首帧数据通过ISP1581的数据端口寄存器(Data&Port&Register)填写在端点缓冲区中。在端点缓冲区被填满后,它就自动生效。在不能填满端点缓冲区的情况下,可以通过设置控制功能寄存器(Control&Function&Register)的VENDP位[2]强制该端点缓冲区生效。端点缓冲区生效后,在USB总线上下一IN令牌到来时,该端点缓冲区中的数据就通过USB总线传输到主机中。主机成功接收到数据后,会给ISP1581以ACK应答。能够通过INT引脚报告给DSP,DSP就可以继续往端点中填写该帧其余数据。在队列首帧数据被成功转移到主机后,DSP就丢弃首帧数据。如果队列在还有数据帧,则将次首帧作为首帧,继续前述传输过程;如果没有要传输的数据帧,则为队列首帧指针Head_Ptr赋空值(NULL),等待新的数据帧的到来。USB2.0是计算机外设接口技术发展的最新成功,具有广阔的应用前景。本文介绍了PHILIPS公司USB2.0接口芯片ISP1581在无线数据接收设备中的应用。高性能、便携化的无线数据传接收设备。其在靶场实弹试验中受到了用户的好评。PC机的RS-232C串行口是使用最多的接口之一。因此,4串口、8串口等以增加串口数量为目的的ISA总线卡产品大量问世。一般串口应用只是使用了RXD和TXD两条传输线和地线所构成的串口的最基本的应用条件,而本文介绍一个利用PC机的RS-232串口加上若干电路来实现多串口需求的接口电路。1.PC机串口的RTS和DTR及扩展电路RTS和DTR是PC机中8250芯片的MODEM控制寄存器的两个输出引角D1和D0位,口地址为COM1的是3FCH,口地址为COM2的是2FCH。我们可以利用对MODEM控制寄存器3FCH或2FCH的写操作对其进行控制。从而利用该操作和扩展电路实现对TXD和RXD进行多线扩展,图1是其扩展电路。在图1所示的PC机串口扩展电路中,74LS161是二进制计数器,1脚是清0端,2脚是计数端,计数脉冲为负脉冲信号,4051是八选一双向数字/模拟电子开关电路,其中一片用于正向输出,一片用于反向输出。该扩展电路工作原理是通过控制PC机串口的DTR输出的高低电平来形成74LS161的P2脚计数端的负脉冲信号,使161的输出端P14(QA)、P13(QB)、P12(QC)、P11(QD)脚依次在十六个状态中变化,本电路仅使用了QA、QB、QC三个输出来形成对4051的ABC控制,最终使得4051(1)的输入端TXD依次通过与TX1~TX8导通而得到输出信号,4051(2)的输出端RXD与RX1~RX8依次导通形成输入信号。由于RXD和TXD的导通是一一对应的,因此串口通信就可以依次通过与多达8个带有三线基本串口的外部设备进行通信传输以实现数据传送。PC机端的电平转换电路是将RS232电平转换为TTL电平,外设端的电平转换电路是将TTL电平转换为RS232电平。由于这种转换有许多电路可以实现,因而,这里不再介绍。2.电路使用程序对PC机串口COM1的编程如下:&&&&;对COM1口的波特率等设置;MOV&DX,3FCHMOV&AL,XXXXXX01BOUT&DX,AL;D1生成RTS负脉冲,对74LS161输出端清0MOV&AL,XXXXXX11B;OUT&DX,AL&;4051的RX1和TX1导通CALL&COM&;调用通信子程序,与第一个外部设备通信;MOV&CX,7&;设置循环计数器;NEXT:MOV&DX&,3FCHMOV&AL,XXXXXX10BOUT&DX&,AL&;D0位生成DTR的负脉冲,形成161的P2脚计数脉冲MOV&AL,XXXXXX11BOUT&DX,AL&;RX2和TX2导通CALL&COM&;调用通信子程序,与第二个外部设备通信LOOP&NEXT&;循环与另外6个外部设备通信&&&;通信子程序略3.使用说明由于该扩展的多路接口在通信时共用一个子程序,因此在与某一路导通时,系统只能与这一路的外部设备进行通信联络。如果工作现场需要立即和某一路通信,则需要对3FCH的D1位执行两个写操作并在RTS脚形成负脉冲,以对7416I清0后,再连接执行若干次对DTR的两次写操作。例如想对第4路外设通信,则需要执行完成对74LS161清0后,再连续三次对3FCH的D0位进行两个写操作以形成DTR脚的负脉冲,然后即可调用通信子程序。如需使用PC机的COM2串口,只需将程序中的3F8H~3FDH全部换成2F8H~2FDH即可。如果使用十六选一双向数字/模拟电子开关电路,可将74LS161的QA、QB、QC、QD四个输出端接至电子开关的四个控制端A、B、C、D,这样就可以达到一个PC机的RS232口与16个带有串口的外设的数据通信。
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基于USB总线和89C51单片机的数据采集系统设计
[导读]在工业生产和科学技术研究过程的各行业中，常常要对各种数据进行采集，现在常用的采集方式是在PC机或工控机内安装数据采集卡，如A/D卡及 RS- 422卡、RS-485卡。采集卡不仅安装麻烦，易受机箱内环境的影响，而且由于受
在工业生产和科学技术研究过程的各行业中，常常要对各种数据进行采集，现在常用的采集方式是在PC机或工控机内安装数据采集卡，如A/D卡及 RS- 422卡、RS-485卡。采集卡不仅安装麻烦，易受机箱内环境的影响，而且由于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(Universal Serial Bus,简称USB)的出现能很好地解决以上这些冲突。我们利用89C51单片机设计了基于USB总线的数据采集设备，并可与MAX485结合起来实现数据的远程采集。本文引用地址:
系统硬件设计
USB数据采集系统硬件模块主要由串行A/D转换器、89C51芯片、USB接口芯片和多路模拟开关等组成。硬件总体结构框图如图1所示。
&&&&&&&&&&&&&& 图1 硬件总体结构框图
USB接口芯片采用National Semiconductor公司的一种专用芯片USBN9602。该芯片内部集成微处理器接口、 FIFO存储器、时钟发生器、串行接口引擎(SIE)、收发器、电压转换器，支持DMA、微波接口。
多路模拟输入信号经多路模拟开关控制将其中的一路接入串行A/D转换器，A/D转换器经光电隔离后串行输出到移位寄存器，移位寄存器将此结果转为8位并行数据，89C51系统通过8位的并行接口传送A/D转换器采集的数据，存储在FIFO存储器中；一旦FIFO存满，SIE立刻对数据进行处理, 然后 89C51系统将数据从FIFO存储器中读出，由收发器通过数据线(D+、D-)送至主机。 USBN的具体接口电路如图2所示。图中USBN9602的CLKOUT与89C51的XTAL1相连，即USBN9602的时钟输出为89C51提供时钟输入。USBN9602的复位端接RC电路以保证复位电路可靠地工作。由于晶振频率较高，结合USBN9602内部网络，在 XOUT端串接100mF电容及470mH电感，起稳定内部振荡频率的作用。
系统软件设计
系统软件包括设备固件、 USB设备驱动程序和应用程序。
设备固件(firmware)设计
此处固件是指固化到89C51E2PROM中的程序，其主要功能是:
(1)控制A/D转换器的采样。
(2)控制芯片USBN9602接受并处理USB驱动程序的请求及应用程序的控制指令。
现主要介绍89C51系统如何控制USB控制器(USBN9602)与主机的通信。
89C51系统对USB控制器的操作是严格按照USB协议1.1进行的，按照USB协议1.1的规定，USB传输方式分为4种：控制传输，块传输，同步传输和中断传输。在实际开发中使用了控制传输和块传输。控制传输主要用来完成主机对设备的各种控制操作，也就是用来实现位于主机上的USB总线驱动程序 (USBD.SYS)以及编写的功能驱动程序对设备的各种控制操作。块传输主要用来完成主机和设备间的大批量数据传输以及对传输数据进行错误检测(若发生错误,它支持&重传&功能)。
89C51系统控制USB控制器的工作过程可以简单地概括为：当USB控制器从USB 总线检测到主机启动的某一传输请求后，通过中断方式将此请求通知89C51系统，89C51系统通过访问USB控制器的状态寄存器和数据寄存器获得与此次传输有关的各种参数，并根据具体的传输参数，对USB控制器的控制寄存器和数据寄存器进行相应的操作，以完成主机的传输请求。
USB设备驱动程序设计
USB系统驱动程序的设计是基于WDM(Windows driver model 驱动程序模型)的。WDM采用分层驱动程序模型(见图3所示)，分为较高级的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由两部分组成：较高级的通用串行总线模块(USBD)和较低级的主控制器驱动程序模块(HCD)。
在上述USB分层模块中，USB函数层由Windows98提供，负责管理USB设备驱动程序和USB控制器之间的通信，加载及卸载USB驱动程序，与USB设备通用端点(endpoint)建立通信来执行设备配置、数据与USB协议框架和打包格式的双向转换任务。
目前Windows98提供了多种 USB设备驱动程序，但并不针对数据采集设备，因此需用DDK开发工具设计专用的USB设备驱动程序。在本设计中由四个模块实现：初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块以及I/O功能实现模块。
&&&&&&&&&&&& 图2 USBN接口电路
&&&&&&&&&& 图3 USB系统驱动程序层次关系
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图4 应用程序主流程图
初始化模块提供一个入口函数DriverEntry()，所有对各种IRP(I/O Request Packet,IRP请求包)的处理例程都在此入口函数中做出定义。
即插即用管理模块实现USB设备的热拔插及动态配置。当硬件检测到USB设备接入时，Windows98查找响应的驱动程序，并调用它的 DriverEntry例程，PnP(即插即用)管理器调用驱动程序的AddDevice例程，告诉它添加了一个设备；在此处理过程中，驱动程序收到一个设备启动请求(IRP_MN_START_DEVICE)的IRP。同理，当要拔除时，PnP管理器会发出一个设备删除请求 (IRP_MN_REMOVE_DEVICE)的IRP，由驱动程序进行处理。通过对这些PnP请求的处理，可支持设备的热插拔和即插即用功能。
电源管理模块负责设备的挂起与唤醒。
I/O功能实现模块完成I/O请求的大部分工作。若应用程序想对设备进行I/O操作，它便使用Windows API函数,对WIN32子系统进行WIN32调用。此调用由I/O系统服务接收并通知I/O管理器，I/O管理器将此请求构造成一个合适的I/O请求包 (IRP)并把它传递给USB设备驱动程序，USB设备驱动程序接收到这个IRP以后，根据IRP中包含的具体操作代码，构造相应的USB请求块并把此 URB(USB请求块)放到一个新的IRP中，然后把此IRP传递到USB总线驱动程序，USB总线驱动程序根据IRP中所含的URB执行相应的操作(如从USB设备读取数据等)，并把操作结果通过IRP返还给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接收到此IRP后，将操作结果通过IRP返还给I/O管理器，最后I/O管理器将此IRP中操作结果返还给应用程序，至此应用程序对USB设备的一次I/O操作完成。
应用程序设计
用户态的应用程序是数据采集系统的中心，其主要功能为：开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输管道、设置A/D状态和数据采集端口、实时从USB接口采集数据、显示并分析数据。应用程序主流程图如图4所示。
由于USBN9602提供的FIFO不超过64字节，当它存满后，USBN9602自动将数据打包即时请求读入数据，由SIE自动发送数据包。另外，当系统启动A/D模块后，便会创建两个线程：采样线程和显示存盘线程。采样线程负责将采集数据写到应用程序提交的内存；而显示存盘线程负责给应用程序发送显示和存盘消息。当应用程序接收到此消息后，便从它提交的内存中读取数据并显示和存盘。此处需要注意的是采样线程和显示存盘线程在读写应用程序提交的内存时要保持同步。
远程数据采集系统设计
传输距离是限制USB在工业现场应用的一个障碍，即使增加了中继或Hub，USB传输距离通常也不超过几十米，这对工业现场而言显然太短了。现在工业现场有大量采用RS-485传输数据的采集设备，其优点主要为传输距离可达到1200米以上，并且可以挂接多个设备，但传输速度慢，且需要板卡支持，安装麻烦。但将RS-485与USB结合起来就可以优势互补，产生一种快速、可靠、低成本的远程数据采集系统。
设计这样一个系统的关键设备是RS- 485~USB转换器，可以采用USBN+ MAX485实现这一功能，整个系统的基本思想是：将传感器采集到的模拟量数字化以后，利用RS-485协议将数据上传，上述RS-485~USB转换器在主机端接收485的数据并通过USB接口传输至主机进行处理，而主机向USB发送数据时，数据通过RS&485~USB转换口转换为485协议向远端输送，从而能够实现远程数据的双向传输。如图5所示。
软件方面的设计跟前所述类似。
&&&&&&&&&&&&&&&& 图5 采用USB和485实现远距离数据传输
基于USB外设的应用目前在国内外处于高速发展阶段，利用USB进行数据采集和工业控制已得到成功应用，特别是随着USB协议2.0的推出，数据传输速率高达480Mbps，如此高的传输速率必将使USB在数据采集中的优势更加体现出来，同时会使其在更广阔的领域得到更深层次的应用。
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关于如何收纳、整理USB线，让你的桌面清爽、整洁，深圳的“Lofree洛斐生活”有一个好主意，那就是给USB线加上吸盘，让它们变成见啥吸啥的触手怪……......关键字： 对于搞单片机的特别用8051系列工程师来说，谈到单片机的RTOS，很多时候会问一句：“为什么要用RTOS?单片机就这一点资源，使用RTOS能保证效率吗?”......关键字：
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基于USB总线和89C51单片机的数据采集系统设计
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摘要：本文介绍了基于USB总线的数据采集设备的开发方法，包括硬件设计、firmware(固件)设计、基于windows驱动程序模型(WDM)的设备驱动程序设计以及应用软件的设计，同时也介绍了基于USB的远程数据采集系统。
摘要：本文介绍了基于USB总线的数据采集设备的开发方法，包括硬件设计、firmware(固件)设计、基于windows驱动程序模型(WDM)的设备驱动程序设计以及应用软件的设计，同时也介绍了基于USB的远程数据采集系统。 关键词：通用串行总线；数据采集；单片机The system design of data collect according to the USB and 89C51
DING Wei-xiong,SONG Xiao-guang,YANG Ding-an(Department of Computer Sciences,Foshan University,Foshan 52800,China)Abstract: This article introduced the development method according to USB
data collect equipments, includes the hardware design, firmware design and the design of the program design and the application software according to the windows drives, also introducing to the collect system according to the USB long range data。Key words：USB；Data collect；MCS
在工业生产和科学技术研究过程的各行业中，常常要对各种数据进行采集，现在常用的采集方式是在PC机或内安装数据采集卡，如A/D卡及RS-422卡、RS-485卡。采集卡不仅安装麻烦，易受机箱内环境的影响，而且由于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(Universal Serial Bus,简称USB)的出现能很好地解决以上这些冲突。我们利用89C51单片机设计了基于USB总线的数据采集设备，并可与MAX485结合起来实现数据的远程采集。系统硬件设计
USB数据采集系统硬件模块主要由串行A/D转换器、89C51芯片、USB接口芯片和多路模拟开关等组成。硬件总体结构框图如图1所示。 图1 硬件总体结构框图
USB接口芯片采用National Semiconductor公司的一种专用芯片USBN9602。该芯片内部集成微处理器接口、 FIFO存储器、时钟发生器、串行接口引擎(SIE)、收发器、电压转换器，支持DMA、微波接口。
多路模拟输入信号经多路模拟开关控制将其中的一路接入串行A/D转换器，A/D转换器经光电隔离后串行输出到移位寄存器，移位寄存器将此结果转为8位并行数据，89C51系统通过8位的并行接口传送A/D转换器采集的数据，存储在FIFO存储器中；一旦FIFO存满，SIE立刻对数据进行处理,然后89C51系统将数据从FIFO存储器中读出，由收发器通过数据线(D+、D-)送至主机。 USBN的具体接口电路如图2所示。图中USBN9602的CLKOUT与89C51的XTAL1相连，即USBN9602的时钟输出为89C51提供时钟输入。USBN9602的复位端接RC电路以保证复位电路可靠地工作。由于晶振频率较高，结合USBN9602内部网络，在XOUT端串接100mF电容及470mH电感，起稳定内部振荡频率的作用。 图2 USBN接口电路系统软件设计
系统软件包括设备固件、 USB设备驱动程序和应用程序。设备固件(firmware)设计
此处固件是指固化到89C51E2PROM中的程序，其主要功能是: (1)控制A/D转换器的采样。(2)控制芯片USBN9602接受并处理USB驱动程序的请求及应用程序的控制指令。现主要介绍89C51系统如何控制USB控制器(USBN9602)与主机的通信。89C51系统对USB控制器的操作是严格按照USB协议1.1进行的，按照USB协议1.1的规定，USB传输方式分为4种：控制传输，块传输，同步传输和中断传输。在实际开发中使用了控制传输和块传输。控制传输主要用来完成主机对设备的各种控制操作，也就是用来实现位于主机上的USB总线驱动程序(USBD.SYS)以及编写的功能驱动程序对设备的各种控制操作。块传输主要用来完成主机和设备间的大批量数据传输以及对传输数据进行错误检测(若发生错误，它支持“重传”功能)。
89C51系统控制USB控制器的工作过程可以简单地概括为：当USB控制器从USB总线检测到主机启动的某一传输请求后，通过中断方式将此请求通知89C51系统，89C51系统通过访问USB控制器的状态寄存器和数据寄存器获得与此次传输有关的各种参数，并根据具体的传输参数，对USB控制器的控制寄存器和数据寄存器进行相应的操作，以完成主机的传输请求。USB设备驱动程序设计
USB系统驱动程序的设计是基于WDM(Windows driver model 驱动程序模型)的。WDM采用分层驱动程序模型(见图3所示)，分为较高级的USB设备驱动程序和较低级的USB函数层。其中USB函数层由两部分组成：较高级的通用串行总线模块(USBD)和较低级的主控制器驱动程序模块(HCD)。
在上述USB分层模块中，USB函数层由Windows98提供，负责管理USB设备驱动程序和USB控制器之间的通信，加载及卸载USB驱动程序，与USB设备通用端点(endpoint)建立通信来执行设备配置、数据与USB协议框架和打包格式的双向转换任务。
目前Windows98提供了多种 USB设备驱动程序，但并不针对数据采集设备，因此需用DDK开发工具设计专用的USB设备驱动程序。在本设计中由四个模块实现：初始化模块、即插即用管理模块、电源管理模块以及I/O功能实现模块。 图3 USB系统驱动程序层次关系
初始化模块提供一个入口函数DriverEntry()，所有对各种IRP(I/O Request ket,IRP请求包)的处理例程都在此入口函数中做出定义。
即插即用管理模块实现USB设备的热拔插及动态配置。当硬件检测到USB设备接入时，Windows98查找响应的驱动程序，并调用它的DriverEntry例程，PnP(即插即用)管理器调用驱动程序的AddDevice例程，告诉它添加了一个设备；在此处理过程中，驱动程序收到一个设备启动请求(IRP_MN_START_DEVICE)的IRP。同理，当要拔除时，PnP管理器会发出一个设备删除请求(IRP_MN_REMOVE_DEVICE)的IRP，由驱动程序进行处理。通过对这些PnP请求的处理，可支持设备的热插拔和即插即用功能。
电源管理模块负责设备的挂起与唤醒。
I/O功能实现模块完成I/O请求的大部分工作。若应用程序想对设备进行I/O操作，它便使用Windows API函数,对WIN32子系统进行WIN32调用。此调用由I/O系统服务接收并通知I/O管理器，I/O管理器将此请求构造成一个合适的I/O请求包(IRP)并把它传递给USB设备驱动程序，USB设备驱动程序接收到这个IRP以后，根据IRP中包含的具体操作代码，构造相应的USB请求块并把此URB(USB请求块)放到一个新的IRP中，然后把此IRP传递到USB总线驱动程序，USB总线驱动程序根据IRP中所含的URB执行相应的操作(如从USB设备读取数据等)，并把操作结果通过IRP返还给USB设备驱动程序。USB设备驱动程序接收到此IRP后，将操作结果通过IRP返还给I/O管理器，最后I/O管理器将此IRP中操作结果返还给应用程序，至此应用程序对USB设备的一次I/O操作完成。应用程序设计
用户态的应用程序是数据采集系统的中心，其主要功能为：开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输管道、设置A/D状态和数据采集端口、实时从USB接口采集数据、显示并分析数据。应用程序主流程图如图4所示。 图4 应用程序主流程图
由于USBN9602提供的FIFO不超过64字节，当它存满后，USBN9602自动将数据打包即时请求读入数据，由SIE自动发送数据包。另外，当系统启动A/D模块后，便会创建两个线程：采样线程和显示存盘线程。采样线程负责将采集数据写到应用程序提交的内存；而显示存盘线程负责给应用程序发送显示和存盘消息。当应用程序接收到此消息后，便从它提交的内存中读取数据并显示和存盘。此处需要注意的是采样线程和显示存盘线程在读写应用程序提交的内存时要保持同步。远程数据采集系统设计
传输距离是限制USB在工业现场应用的一个障碍，即使增加了中继或Hub，USB传输距离通常也不超过几十米，这对工业现场而言显然太短了。现在工业现场有大量采用RS-485传输数据的采集设备，其优点主要为传输距离可达到1200米以上，并且可以挂接多个设备，但传输速度慢，且需要板卡支持，安装麻烦。但将RS-485与USB结合起来就可以优势互补，产生一种快速、可靠、低成本的远程数据采集系统。
设计这样一个系统的关键设备是RS-485~USB转换器，可以采用USBN+ MAX485实现这一功能，整个系统的基本思想是：将传感器采集到的模拟量数字化以后，利用RS-485协议将数据上传，上述RS-485~USB转换器在主机端接收485的数据并通过USB接口传输至主机进行处理，而主机向USB发送数据时，数据通过RS—485~USB转换口转换为485协议向远端输送，从而能够实现远程数据的双向传输。如图5所示。软件方面的设计跟前所述类似。 图5 采用USB和485实现远距离数据传输结语
基于USB外设的应用目前在国内外处于高速发展阶段，利用USB进行数据采集和工业控制已得到成功应用，特别是随着USB协议2.0的推出，数据传输速率高达480Mbps，如此高的传输速率必将使USB在数据采集中的优势更加体现出来，同时会使其在更广阔的领域得到更深层次的应用。参考文献1 张念淮，江浩.USB总线接口开发指南.北京：国防工业出版社.20022 李朝青.PC机及单片机数据通信技术.北京:北京航空航天出版社.20003 原嵩，林浒.通用串行总线的原理及实现. 小型微行计算机系统.1999(5) 4 张洪润，蓝清华.单片机应用技术教程. 北京:清华大学出版社.19975 徐有青，余胜生.通用串行总线设备接口的设计.电子计算机与外部设备.1998(5)作者简介
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