基于usb总线的数据通信系统毕业设计论文(编辑修改稿)

基于usb总线的数据通信系统毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

号处理电路就可实现。 这在一定层次上缩小了数据采集系统的体积，并降低了成本。 图 为该数据采集系统的系统原理图。 M C U 8 0 5 1 内 核输入数据C 8 0 5 1 F 3 2 0 U S B 电 缆U S B 控 制 器及 接 口P C 机 或笔 记 本 电 脑 图 系统框图 软件系统的构成 开发一个 USB 设备，软件设计是必不可少的。 USB 应用系统软件设计分为三部分 :USB 外设端的单片机固件 (Firmware)程序、主机操作系统上的客户驱动程序以及主机应用 软件。 单片机固件则响应各种来自系统的 USB 标准请求，完成各种数据的交换工作和事件处理。 而客户驱动程序则让主机可以识别 USB 设备，并通过应用软件来存取 USB设备，完成通信功能。 主机应用软件通过客户驱动程序与系统 USBI(USB Device Interface)进行通信，由系统产生 USB 数据的传送动作，可用 Visual Basic、 visua1C++或 Delphi等软件来开发并生成采集应用软件及其相关使用说明，方便用户快捷地使用本数据 通信系统。 整个软件系统的组成 如图 所示。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 应 用程 序驱 动程 序固 件程 序硬 件层 图 软件系统组成 USB 数据采集系统的性能指标 该 基于 USB 总线的数据通信系统 的基本性能指标确定如下 : (1)接口方式 :USB 总线 (支持 接口标准，可热拔插、即插即用 )； (2)输入通道 :17 个通道 (11 个单端输入通道和 6 个双端输入通道 )； (3)测量信号 :工业现场各类传感器的输出电压和电流信号 ； (4)量程 :0V~5V， 0V~10V，士 5V，士 10V， 4mA~20mA； (5)每通道最高采样频率 100Ksps； (6)A/D 分辨率 :10Bit； (7)触发方式 :定时器触发，软件触发 ； (8)FIFO 存储器 :3KB。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第三章 系统硬件设计 在生产工程中，应用 此 系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息 的 手段。 其与 上位计算机的数据传输是采用带 接口的单片机作为接收控制板的核心芯片，以解决当前笔记 本电脑不提供 RS232 接口的问题。 数据通过接于 RS232 串口的数传输模块传送到上位机处的接收控制模块中，模块通过 USB 口将数据传送到上位计算机中，计算机中的应用程序经过数据分析和处理得出相应数据。 系统框图如图 所示。 单片机 的选择 本设计采用了 Silicon Laboratories 公司的片上系统级单片机 C8051F320 作为控制采集板的核心芯片，这是因为它具有 以 下特点。 C8051F 系列单片机具有与 MCS51 内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准 8051 的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。 C8051F 系列单片机的功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、 ADC、 DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、 SMBus/I2C、UART、 SPI、可编程计数器 /定时 器阵列 (PCA)、定时器、数字 I/O 端电源监视器、看门狗定时器 (WDT)、和时钟振荡器等。 所有器件都有内置的 FLASH 存储器和 256 字节的内部 RAM，有些器件还可以访问外部数据存储器 RAM，即 XRAM。 C8051F320 是 Silabs 公司的 C8051F 系列单片机中的一款，它除了具备上述强大功能外，它还带有 USB 控制处理器，完全遵循 USB 协议 ，支持 12Mbps 的全速传输或 的低速传输，可时钟恢复，不需额外的晶振，其提供端点 (Endpoint)数为 8内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 个，且每个端点的传输类型、传输方向均可由设 计者自由配置。 另外，它的内部还集成有 1kbyte 的 USBSRAM 和 USB 收发器。 (1)功能部件 ● 模拟外设 ① 10 位的 ADC(士 1LSB INL)：其最大可编程转换速率可达 200ksps；可多达 17个外部输入；可编程为单端输入或差分输入；内置一个温度传感器 (士 3℃ )； ② 2 个模拟比较器； ③ 的内部电压基准； ④ 精确的 VDD 监视器和欠压检测器。 ● USB 功能控制模块 满足 协议：可在全速 (12Mbps)或低速 ()下运行；集成有一个时 钟恢复源，对于全速或低速传输均可不用外部晶振；支持 8 个灵活通用的端点；内置一个 IK 的 USB 专用缓冲存储器；集成了一个 USB 接收器，不需要外部电阻。 ● 片内调试模块 片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试 (不需仿真器 )；支持端点、单步、观察点、堆栈监视器；可以观察 /修改存储器和寄存器；比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更好的性能。 ●工作温度范围： 0℃ 0℃ ● 高速 8051 微控制器内核 采用流水线指令结构 ，其 70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期；速度可达 25MIPS(时钟频率为 25MHZ 时 )。 ● 存储器 1280 字节的内部数据 RAM(IK+256)； 16K 字节的可以在系统编程的 FLASH 闪速内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 存储器。 ● 数字外设 25 个字节宽的端点 I/O；所有口线均耐 5V 电压；可同时使用 UART 串口、硬件SMBusTM、 SPITM；带有 4 个可编程的 16 位技术器 /定时器阵列；带有 5 个捕捉 /比较模块的通用 16 位计数器 /定时器。 ● 时钟源 内部晶振的精度为 ；支持所有 USB 和 UART 模式；外部晶振器：晶体 、 RC、C 或外部时钟；内置一个针对与 USB 控制器的片上时钟乘法器。 ● 供电电压 片上的参考电源校准器支持 USB 总线电源操作；校准器的 Bypass 模式支持 USB内部电源操作。 (2)性能特点 C805lF320 在保持 CISC 结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水业，推出了 CIP 一 51 的 CPU 模式，从而大大提高了指令运行速度，使 8051 兼容机系列进入了 8 位高速单片机行列。 传统的单片机 I/O 端口大都是固定为某个特殊功能的输入 /输出口，可以是单功能或多功能， I/O 端口可编程选择为单向 /双向以及上拉、开漏 等。 这种固定方式既占用较多引脚，配置又不够灵活。 C8051F320 采用开关网络以硬件方式实现 I/O 端口的灵活配置，如图 所示。 在这种通过交叉开关配置的 I/O 端口系统中，单片机外部为通用 I/O口，如 P0 口、 P1 口和 P2 口。 内有输入 /输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 数 字交 叉 开 关控 制 寄 存 器P 0 口P 1 口P 2 口888C 8 0 5 1 F 3 2 0P 0 . 0 ~ P 0 . 7P 1 . 0 ~ P 1 . 7P 2 . 0 ~ P 2 . 7P 2P 1P 0T 0 , T 1P C AS Y S C L KC P 1 输 出C P 0 输 出S M B u sS P IU A R T 图 C8051F320 的 I/O 端口配置 C8051F320 还提供了一个完整而先进的时钟系统，如图 所示。 在这个系统中，片内设置有一个可 编程的时钟振荡器 (无需外部器件 )，可提供 8 和 16MHz 时钟的编程设定。 外部振荡器可选择 4 种方式。 当程序运行时，可实现内外时钟的动态切换。 编程选择的时钟输出 CYSCLK 除供片内使用外，还可从随意选择的 I/O 端口输出。 控 制 寄 存 器内 部 时 钟可 编 程系 统 时 钟时 钟输 入时 钟振 荡 器控 制 寄 存 器C 8 0 5 1外 部 和 时 钟晶 体R CC时 钟 源 图 C8051F320 的时钟系统 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） C8051F320 在 8 位单片机中率先配置了标准的 EC2 接口 ()。 在上位机软件支持下，通过串行的 EC2 接口直接对产品系统进行仿真调试。 C8051F 的 EC2 接口不仅支持 FlashROM 的读 /写操作及非侵入式在系统调试，还为在系统测试提供边界扫描功能。 通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、 SFR 总线和 I/O 口弱上拉功能实现观察和控制。 C805lF320 把 8051 单一的外部复位发展成多源复位：上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器 0 复位和引脚配置复位。 众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。 (3)引脚及封装 图 C8051F320 的封装 具体引脚如图 所示： VDD—— 数字电源； GND—— 模拟 地； REGIN—— 5V 校准器的输入端； 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） /RST/C2CK—— 设备的复位引脚或 EC2 调试接口的时钟信号； —— 端口 或 EC2 调试接口的双向信号引脚； VBUS—— USB 总线输入脚； D+—— USB 的 D+； D—— USB 的 D； —— 端口 或外部晶振输入； —— 端口 或外部晶振输出； — 端口 或 ADC0 外部转换开始输入脚； — 端口 或外部参考电源的输入端或输出端； 、 、 、 、 ~、 ~ 均为相应的端口引脚。 综上所述，选用 Silicon Laboratories 公司的 C8051F320 单片机硬件设计电路比较简单，设计的芯片体积较小，功耗低，可以在系统调试，软件环境集成化，省去了许多麻烦。 系统与主机连接的设计 USB 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图 的两根线是用于发送信号。 图 USB的电缆 电 缆中包括 VBUS、 GND 二条线，向设备提供电源。 VBUS 使用 +5V 电源。 USB对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。 通过选择合 适的导线长度以匹配指定的 IR drop内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 和其它一些特性，如设备能源预算和电缆适应度。 为了保证足够的输入电压和终端阻抗，重要的终端设备应位于电缆的尾部。 在每个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出高速，或低速设备。 综上所述，相对于工业上数据 通信在 以前常采用的 PCI 总线、 ISA 总线或者 RS232总线作为采集方式， USB 总线具有支持热拔插、即插即用、支持共享式接口且体积小巧、节省系统资源、成本低廉性能可靠等等诸多优点。 USB 总线支持低速、全速、高速三种传输速率，并且支持控制传输、批量传输、同步传输、中断传输四 种传输类型，这使得它能支持多种外设的需要，成为一种高效灵活的数据传输方式。 C8051F320 提供的通用串行总线控制器（ USB0）符合 规范，可以全速或低速工作，集成了收发器和端点 FIFO RAM。 共有 8 个端点：一个双向控制端点（端点0）和三对输入 /输出端点（端点 13 输入 /输出）。 XRAM 中有 1KB 的存储块被专门用作 USB FIFO 空间。 该 FIFO 空间被分配给端点 03；端点 13 的 FIFO 可以被配置为输入（ IN）、输出（ OUT）或输入 /输出（分内割模式）。 最大的 FIFO 大小为 512 字节（端点 3）。 可以工作在全速或低速方式。 片内 4 倍时钟乘法器和时钟恢复电路允许使用内部高精度振荡器作为 USB 时钟源，实现全速和低速通信。 外部振荡器也可以与 4倍时钟乘法器配合使用来产生 USB 时钟。 CPU 时钟源与 USB 时钟相互独立。 USB 收发器符合 规范，并包含内部匹配和上拉电阻。 上拉电阻可以被用软件使能 /禁止，可以根据软件选择的速度设置（全速或低速）出现在 D+或 D引脚。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） … 图 USB控制器原理框图 USB 接口分为 A、 B 型接口和 Mini 型接口等，本文实际电路中采用了标准 A 型USB 接口 ，其封装图如图 所示。 图 USB的 A型接口封装图 一个带有 USB 接口的系统，如果相具有 USB 功能必须选择合适的 USB 控制器，市场上供应的 USB 控制器主要有带 USB 接口的单片机或纯粹的 USB 接口两种芯片。 在此选用的是 Silabs 公司的 C8051F320。 C8051F320 本身集成了全速 /低速 USB 功能，用于实现 USB 接口的外部设备（但内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 是 C8051F320 不能被用作 USB 主设备），它完全符合通用串行总线规范 版。 USB。