(硕士论文)基于USB接口的数据采集系统设计

USB接口

西安理工大学硕士学位论文

基于USB接口的数据采集系统设计

姓名：吴超申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器

指导教师：高宗海

20080301

USB接口

摘要

论文题目：基于ＩＪＳＢ接口的数据采集系统设计学科专业：测试计量技术与仪器研究生：吴超

签名：导师姓名：高宗海教授

签名：

捅要：

随着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，基于ＵＳＢ接口的数据采集平台的优势日益突显出来。目前基于ＵＳＢ的数据采集卡已经成为一种流行趋势。

本文以基于ＵＳＢ接口的数据采集平台为研究对象，选取了通用ＵＳＢ接口芯片ＰＤＩＵＳＢＤｌ２，Ａ／Ｄ转换芯片ＭＡＸｌ１６６和８９Ｃ５２单片机作为系统核心芯片，设计并研制了一套基于ＵＳＢ接口的数据采集硬件板卡，并开发了相应的单片机板卡程序、ＰＣ机底层驱动及ＶＣ＋＋开发环境下的用户应用程序，实现了从底层单片机到以ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ操作系统为基础的ＰＣ机的ＵＳＢ双向通信，最终构建了一个基于ＵＳＢ接口的数据采集平台。

本文重点内容主要分为２个部分：硬件设计部分和软件开发部分。

硬件电路设计部分主要论述了：基于ＡＴＥＭＬ半导体公司８９Ｃ５２芯片的时钟电路，电源电路，按键复位电路设计；基于ＰＨＩＬＩＰＳ半导体公司ＰＤＩＵＳＢＤｌ２芯片的ＵＳＢ接口电路及基于ＭＡＸＩＭ半导体公司ＭＡＸｌｌ６６芯片的Ａ／Ｄ采集电路，基于ＭＡＸ２３２芯片的串口电路的设计，最后介绍整体硬件电路的调试过程。

软件开发部分主要论述了：基于ＫＥＩＬ开发环境底层固件程序设计；基于ＭＩＣＲＯＳＯＦＴ

ＤＤＫ的Ｗｉｎｄｏｗｓ

ＸＰ

ＷＤＭ上位机驱动程序设计和通过使用ＳＯＦＴＩＣＥ工具对其调试的过

程，最后介绍了基于ＶＣ＋＋开发环境的用户应用程序设计。

本文的研究设计成果为今后研究基于ＵＳＢ接口的测控系统及相关项目奠定了坚实的基础，达到了课题的研究目的。

关键字：ＵＳＢ；数据采集；软硬件设计

USB接口

ＡｂＳｔｒａｃｔ

Ｔｉｔｌｅ：ＤＡＴＡ

ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮＳＹＳＴＥＭ

ＢＡＳＥＤＯＮＵＳＢＩＮＴＥＲＦＡＣＥ

ＤＥＳＩＧＮ

Ｍａｊｏｒ：Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ

Ｎａｍｅ：Ｃｈａｏ

ｏｆＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭｅａｓｕｒｉｎｇ

Ｗｕ

ＳｉｇｎａｔｕｒｅＳｉｇｎａｔｕｒｅ

Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＺｏｎｇｈａｉＧａｏ

＃

ｆｉｅｌｄｓｏｆｍｏｄｅｍ

ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｗｉｔｈＵＳＢ

ａｎｄ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈ

ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ

ｄｅｍａｎｄｓ

ｏｎ

ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎ

ｔｈｅ

ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓ

ａｎｄ

ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ，ｔｈｅｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙｏｆｄａｔａ

ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍｓ

ｏｂｖｉｏｕｓｉｎｓｏｍｅ

（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ

Ｓｅｒｉａｌ

Ｂｕｓ）ｉｎｔｅｒｆａｃｅ

ｈａｓｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ

ｈｉ曲ｓｐｅｅｄ

ｌｌｉ曲ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｓｓｕｃｈａｓｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｎｇａｎｄｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ａ

ｓｙｓｔｅｍｓ．ＴｈｅｕｓａｇｅｏｆＵＳＢ—ｂａｓｅｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃａｒｄｈａｓａｌｒｅａｄｙｂｅｃｏｍｅ

ｐｒｅｓｅｎｔ．

Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓａｉｍｓｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔ

ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃａｒｄ

ａ

ｐｒｅｖａｌｅｎｃｅａｔ

ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ

ｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａ

ＭＡＸ１１６６ａｎｄ

ｔｈｅ

ｕｓｅｒ

ｂａｓｅｄ

ｉｓ

Ｏｌｌ

ＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｈｉｐＰＤＩＵＳＢＤ１２，Ａ／Ｄｃｈｉｐ

ｌａｙｅｒｓ

ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ

８９Ｃ５２

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｒｅｅ

ｏｆｐｒｏｇｒａｍｓ，ｎａｍｅｌｙ

ＭＣＵｐｒｏｇｒａｍ

ｆｏｒｃａｒｄ，ＰＣｂｕｔｔｏｍｄｒｉｖｅｒｓｆｏｒＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ａｎｄＰＣ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ

ｕｎｄｅｒＶＣ＋＋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ

ａｒｃ

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈＷｉｎｄｏｗｓ

ｒｅａｌｉｚｅ

ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｆｒｏｍｌｏｗｌａｙｅｒ

ＭＣＵ

ｏｎ

ｔｏＰＣｂａｅｓｄＯｉｌ

ＸＰｏｐｅｒａｔｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄ

Ｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｓｏｆｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ

ＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｓｂｕｉｌｔｓｕｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．

ｃｏｍｐｒｉｓｅｔｗｏｉｍｐｏｒｔａｎｔ

ｃｏｎｔｅｎｔｓ，ｎａｍｅｌｙ

ｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｈａｒｄｗａｒｅ

ａｎｄ

ｓｏｆｔｗａｒｅ

ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ

ｂａｓｅｄ

ｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｌｏｃｋｃｉｒｃｕｉｔ

ｏｎ

８９Ｃ５２，ｐｏｗｅｒ

ｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔ，Ａ／Ｄａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｂａｓｅｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔ

ｏｎ

ＭＡＸｌ

１６６，ｋｅｙｓｔｒｏｋｅｒｅｓｅｔｃｉｒｃｕｉｔ，ＵＳＢ

ＰＤＩＵＳＢＤ１２ａｎｄｓｅｒｉａｌ

ｃｉｒｃｕｉｔ．

Ｔｈｅ

ｓｏｆｔｗａｒｅ

ｄｅｓｉｇｎ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｆｉｒｍｗａｒｅＸＰ

ｐｒｏｇｒａｍ

０１３

ｄｅｓｉｇｎ

ｂａｓｅｄ

ｏｎ

ＫＥＩＬｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＷＩＮＤＯＷＳ

Ｔｈｉｓ

ｔｈｅｓｉｓｌａｙｓ

ａ

ＷＤＭ

ｄｒｉｖｅｒｂａｓｅｄＭＩＣＲＯＳＯＦＴ

ＤＤＫ

ａｎｄ

ｏｎ

ｄｅｂｕｇｕｓｉｎｇＶＣ．

ＳＯＦＴＩＣＥｔｏｏｌｆｏｒｔｈｅｄｒｉｖｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｕｓｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｄｅｓｉｇｎ

ｉｓｉｎｔｒｄｕｃｅｄｂａｓｅｄ

ｓｏｌｉｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅｓｔｕｄｙａｎｄ

ｐｒｏｊｅｃｔｓ

ｏｎ

ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｗｈｉｃｈａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｓｕｂｊｅｃｔｒｅｓｅａｒｃｈ．

Ｋｅｙ

Ｗｏｒｄｓ：ＵＳＢ，ＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ＳｏｆｔｗａｒｅａｎｄＨａｒｄｗａｒｅＤｅｓｉｇｎ

２

USB接口

前言

刖昌

随着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，基于ＵＳＢ接口的数据采集平台的优势日益突显出来。目前基于ＵＳＢ的数据采集卡已经成为一种流行趋势。

本文以基于ＵＳＢ接口的数据采集平台为研究对象，选取了在ＵＳＢ数据采集卡中被广泛应用的ＰＤＩＵＳＢＤｌ２芯片、８９Ｃ５２芯片和ＭＡＸｌｌ６６芯片为核心，系统实现了以ＵＳＢ

数据采集卡及ＷＩＮＤＯＷＳＸＰ操作系统为基础构建一个基于ＵＳＢ接口的数据采集平台。

本文共分六章，各章内容安排如下：

、

第１章，简单介绍了ＵＳＢ总线的概念、发展背景、优点、ＵＳＢｌ．１协议及系统构成。同时，本章也就课题的主要内容和意义作了简单的阐述；

第２章，系统硬件电路设计。本章首先对选定芯片和工作原理做了介绍，然后详细说明了如何围绕选定芯片进行硬件电路设计。同时，本章也给出了在实验中对硬件电路的调试过程；

第３章，本章介绍了ＵＳＢ数据采集平台的底层软件设计；ｔ

第４章，本章详细介绍了ＵＳＢ数据采集平台系统的客户端驱动程序的设计。包括了驱动程序的基本相关概念，驱动程序的编译环境设置及驱动程序的编写；

第５章，上位机应用程序设计；第６章，系统整体测试。

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独创性声明

秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。

本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任

论文作者签名：．显袁釜

。秀年弓月“日

学位论文使用授权声明

本人幺．趁

．在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，

并已经在西安理工大学申请博士／硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：１）已获学位的研究生按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：２）为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。

本人学位论文全部或部分内容的公布（包括刊登）授权西安理工大学研究生部办

理。

（保密的学位论文在解密后，适用本授权说明）

论文作者签名：差＆

导师签名：

。易年３月ｌ６日

USB接口

绪论

１绪论

１．１背景介绍

随着计算机的普及，在工业生产中用计算机来控制外设实现在线检测，监测已经成为一种趋势。因此对数据采集的要求日益提高。通用串行总线ＵＳＢ，是一种快速、灵活的总线接口。与其它通用接口比较，ＵＳＢ接口的特点是易于使用，这也是ＵＳＢ的主要设计目标。作为一种高速总线接口，ＵＳＢ适用于多种设备，比如数码相机、ＭＰ３播放机、高速数据采集设备等。易于使用还表现在ＵＳＢ接口支持热插拔，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预，ＵＳＢｌ．１接口支持１．５Ｍｂ／ｓ（低速）、１２Ｍｂ／ｓ（全速）和

高达４８０Ｍｂ／ｓ（ＵＳＢ２．０规范）的数据传输速率，远高于一般的串行总线接口。ＵＳＢ接口

芯片价格低廉，这大大促进ＵＳＢ设备的开发与应用。所以目前基于ＵＳＢ的数据采集卡已经成为一种流行趋势。但目前让有一些问题尚在研究发展之中，如，高速实时同步数据采

集。１．２

ＵＳＢ简介

ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａＩ

Ｓｅｒｉａｌ

Ｂｕｓ）是一种通用串行总线ＵＳＢ是１９９５年康柏、微软、ｍＭ、

ＤＥＣ等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的快速双向同步传输并可热插拔数据传输总线。该总线接口具有以下优点：

（１）低成本。为了把外设连接到计算机上，ＵＳＢ提供了一种低成本的解决方案，即所有系统的智能机制都驻留在主机并嵌入芯片组中，方便了外设的制造。

（２）可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机将并口或串口电缆接上再开机’’这样的动作，而是直接在ＰＣ开机时，就可以将ＵＳＢ电缆插上使用。

（３）携带方便。ＵＳＢ设备大多以“小、轻、薄＂见长，对用户来说，同样２０Ｇ的硬盘，ＵＳＢ硬盘比ＩＤＥ硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然ＵＳＢ设备会是首要之选。

（４）标准统一。大家常见的是ＩＤＥ接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了ＵＳＢ之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与ＰＣ连接，这时就有了ＵＳＢ硬盘、ＵＳＢ鼠标、ＵＳＢ打印机。

（５）单一连接器类型。ＵＳＢ定义了一种简单的连接器，仅适用一个四芯电缆即可链接任何一个ＵＳＢ设备。

（６）独立供电。ＵＳＢ通过集线器向设备提供电源，当外设的电源要求电压５ｖ电流小于５００ｍＡ时，可以直接从ＵＳＢ总线获取电源，这样ＵＳＢ无需专用电源线，从而降低成本。

（７）错误检测和恢复。ＵＳＢ事务处理包括错误检测机制，他们可以确保数据无错

误发送。

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（８）ＵＳＢ系统在设计保持了向上的继承性。

１．３

ＵＳＢｌ．１协议简介

ＵＳＢ系统构成

在ＵＳＢ系统中，设备端点作为通信管道的一个终点。如图１．１显示了一个多层次结

１．３．１

构的通信模型，它表明了端点和管道所扮演的角色。在最低一级，ＵＳＢ电缆把主控制器与设备的总线接口连接起来。在第二级，一个控制管道把系统软件与逻辑设备连接起来。在第三级，一捆数据管道把客户软件与一组接口连接起来，这些接口组成设备的功能层。信息实际上是在图中两侧垂直流动ｍ。

主机

ＵＳｅ渔备

ｌ一

Ｉ＋—◆物理信息流Ｉ

。虚拟信台、滤Ｉ

图１－１ＵＳＢ的多层次通信模型

Ｆｉｇ．１－１ＵＳＢＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

Ｍｏｄｅ

，

１．３．２数据流动

在ＵＳＢ协议中定义了四种数据传输模式，如表１．１所示。它们的区别在于：单个事务能携带的数据量、能否保证特定的周期或延迟、能否自动校正错误。每种传输方式对应特定类型的端点。实际上，给定类型的端点（控制、批量、中断、等时）总是使用对应类

型的传输“１。

表１－１．数据传输类Ⅲ

Ｔａｂ．１．１ｄａｔａＴｒａｎｓｍｉｔ

传输类控制

描述

用于发送和接受ＵＳＢ定义的结构化

信息

纠错是

包容量（字节）小于等于８、１６、

３２、６４

延迟保证尽可能不延迟

批量

用于发送或接受小块无结构数据是小于等于８、１６、

３２、６４

无

中断等时

２

与批量管道相似

用ｒ发送或接受有周期保证的数据

是不

小于等丁６４小丁．等于１０２３

保证最小速度轮询每帧中的固定部分

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绪论

在ＵＳＢ中，事务由一个或多个阶段（ｐｈａｓｅ）组成。阶段有令牌（ｔｏｋｅｎ）、数据（ｄａｔａ）、握手（ａｅｋ）三种类型。根据不同的类型，事务有一个令牌阶段、一个可选的数据阶段、和一个可选的握手阶段组成，如图１—２所示。在令牌阶段，主控制器向所有已配置的设备广播该令牌包。令牌包中含有设备地址，通常还有端点号，仅有被寻址的设备才会处理事务；当事务寻址设备时，任何设备都不读写总线。在数据阶段，数据被放到总线上。对于输出事务，主机把数据放到总线上，而被寻址的设备消耗这些数据。对于输入事务，情况相反，设备把数据放到总线上由主机消耗。在握手阶段，由设备或主机把握手包放到总线上，包中含有状态信息。当设备发出握手包时，ＡＣＫ包指出成功地接收了信息，ＮＡＫ包指出忙并且不试图接收信息，ＳＴＡＬＬ包指出事务被正确接收但在逻辑上无效。当主机发送握手包时，它仅能发送ＡＣＫ包ｎ１。

．◆—————一一个事务——————＿

图１－２总线事务的阶段

Ｆｉｇ．１－２ＢｕｓＥｖｅｎｔＳｔｅｐ

１．３．３

ＵＳＢ标准设备请求

表ｌ之标准设备请求例

Ｔａｂ．１—２ＳｔａｎｄａｒｄＤｅｖｉｃｅＲｅｑｉｒｅｍｅｎｔ

请求代码

０ｌ２３４５６７８９１０１ｌ１２

符号名

ＧＥＴ——ＳＴＡＴＵＳ

描述

获得状态信息清除一个双态特征

（保留）

可能的接受者

任何任何

ＣＬＥＡＲ——ＦＥＡＴＵＲＥ

ＳＥ唧ＡＴＵＲＥ

ＳＥＴ．—ＡＤＤＲＥＳＳＧＥＴ——ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲＳＥＴ——ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ

设置一个双态特征

（保留）设置设备地址

取设备、配置，或串描述符设置一个描述符（可选）

取当前配置索引设置一个新的当前配置取当前的接口索引使能接口设置

任何

设备设备设备设备设备接口接口

ＧＥＴ——ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ

ＳＥＴ——ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ

ＧＥＴ——ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ

ＳＥＴ——ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ

ＳＹＮＣＨ

ＦＲＡＭＥ

报告同步帧号（等时）端点

３

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１．３．４描述符

ＵＳＢ设备硬件中的数据结构称为描述符，它主要作用是可以让主机识别、检测出设备。表１—３列出了不同种类的描述符。每个描述符开始于一个两字节的头，描述符头中指出该描述符的字节长度（包括头）和描述符类型。如果不讨论特殊的串描述符，描述符的长度对于相同的描述符类型是固定的，即所有给定类型的描述符长度相同。在描述符头中保存明确的长度便于描述符将来的扩展。

表１－３描述符表Ⅲ

Ｔａｂ．Ｉ－３ＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎＦｌａｇＴａｂｌｅ

描述符类型

设备设备配置接口端点

由

描述描述整个设备

描述整个设备描述设备的一个配置描述配置中的一个接口

描述接口中的一个端点

一个Ｕｎｉｃｏｄｅ串，该串片ｊ自然语言描述设备、配置、接口，或端点

描述电源管理能力

电源配置

１．３．５设备描述符

ＵＳＢ设备的描述符是对ＵＳＢ属性的说明。标准ＵＳＢ设备有５种ＵＳＢ描述符，分别是设备描述符，配置描述符，接口描述符，端点描述符和字符串描述符。

每个设备都有一个唯一的设备描述符，它向主机软件标识该设备。主机使用

ＧＥＴ

ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ控制事务直接从设备的０号端点即控制端点读取该描述符。该描述符

在ＤＤＫ中的定义如下：

ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ＿ＵＳＢ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ｛

ＵＣＨＡＲｂＬｅｎｇｔｈ；

ＵＣＨＡＲｂＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅ；

ＵＳＨＯＩＵ’ｂｃｄＵＳＢ；

ＵＣＨＡＲｂＤｅｖｉｃｅＣｌａｓｓ；ＵＣＨＡＲｂＤｅｖｉｃｅＳｕｂＣｌａｓｓ；ＵＣＨＡＲｂＤｅｖｉｃｅＰｒｏｔｏｃｏｌ；ＵＣＨＡＲｂＭａｘＰａｃｋｅｔＳｉｚｅ０；ＵＳＨＯＲＴＶｉｄ；ＵＳＨＯＲＴＰｉｄ；

ＵＳＨＯＲＴｂｃｄＤｅｖｉｃｅ；ＵＣＨＡＲ

ｉＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ；

ＵＣＨＡＲｉＰｒｏｄｕｃｔ；

４

USB接口

绪论

ＵＣＨＡＲｉＳｅｒｉａｌＮｕｍｂｅｒ；ＵＣＨＡＲｂＮｕｍＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ；

）ＵＳＢ—ＤＥＶＩＣＥ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ， ＰＵＳＢ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ；

设备描述符的ｂＬｅｎｇｔｈ域应等于１８，ｂＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅ域应等于１以指出该结构是一个设备描述符。ｂｃｄＵＳＢ域包含该描述符遵循的ＵＳＢ规范的版本号（以ＢＣＤ编码）。现在，设备可以使用值０ｘ０１００或Ｏｘ０１１０来指出它所遵循的是１．０版本还是１．１版本的ＵＳＢ规范。ｂＤｅｖｉｃｅＣｉａｓｓ、ｂＤｅｖｉｃｅＳｕｂＣｌａｓｓ、ｂＤｅｖｉｃｅＰｒｏｔｏｃｏｉ指出设备类型。可能的设备类代码在ＵＳＢ规范中定义，ＵＳＢ所包括的类代码在表ｌ一４中列出。独立设备类工作组为每个设备类定义子类和协议代码。例如，音频类有控制、流，和ＭＩＤＩ流接口的子类代码。大容量存储类为使用各种端点的数据传输方法定义了协议代码ｎ１。

一般整个设备或仅在接口级指定一个类，但事实上，设备类、子类、和协议代码通常出现在接口描述符中而不是出现在设备描述符中。ＵＳＢ还为特殊类型的设备指定了一个特殊的设备类代码２５５。厂商可以使用这个代码指出其设备是一个非标准设备，并且在子类和协议域中填入厂商设定的值‘２１。

设备描述符的ｂＭａｘＰａｃｋｅｔＳｉｚｅＯ域给出了默认控制端点（端点Ｏ）上的数据包容量的最大值。每个设备都必须提供０号控制端点，由于ＵＳＢ规范并没有为该端点规定一个单独的端点描述符，所以这个域是唯一描述这个端点的地方。因为这个域在设备描述符的偏移７处，所以即使该端点使用最小的传输容量（８字节）主机也能读到这个域。一旦主机知道了端点０的最大传输容量，它就可以分块读出整个描述符‘２１。

Ｖｉｄ和Ｐｉｄ域指定厂商代码和厂商专用的产品标识。ｂｃｄＤｅｖｉｃｅ指出设备的发行版本号（０ｘ０１００对应版本１．Ｏ）。当主机软件检测设备时，这三个域决定了主机应该装入哪个驱动程序。ＵＳＢ组织提供厂商代码，厂商提供产品代码‘２１。

５

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表１－４ＵＳＢ设备类代码Ⅲ

Ｔａｂ．１＿４ＵＳＢＤｅｖｉｃｅＣｌａｓｓＣｏｄｅ

符号名

ＵＳＢ——ＤＥＶＩＣＥ——ＣＬＡＳＳ——ＲＥＳＥＲＶＥＤ

类代码

０

描述

指出类代码存在于接口描述符

中

ＵＳＢ—ＤＥＶＩＣＥ—ＣＬＡＳｓ＿．ＡＵＤＩＯ

ｌ

操作模拟或数字音频、语音、和其它与声音相关的数字设备

ＵＳＢ—．ＤＥＶＩＣＥ——ＣＬＡＳＳ——ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ

２

电讯设备，如调制解调器、电话、

应答机，等等

ＵＳＢ——ＤＥＶＩＣＥ——ＣＬＡＳＳＵＳＢ——ＨＵＭＡＮ——ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ

ＵＳＢ——ＤＥＶＩＣＥ——ＣＬＡＳＳ——ＭＯＮＩＴＯＲ

３４５

人工接口设备，如键盘、鼠标、

显示器

ＵＳＢ—ＤＥＶＩＣＥ—ＣＬＡＳＳ＿ＰＨＹＳＩＣＡＬ—ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ

含有实时物理反馈的人工接口

设备，如力反馈游戏杆

ＵＳＢ——ＤＥＶＩＣＥ——ＣＬＡＳＳ——ＰＯＷＥＲ

６

执行电源管理的人工接口设备，

如电池、充电器，等等

ＵＳＢ～ＤＥＶＩＣＥ—ＣＬＡＳＳ』ＲＩＮＴＥＲ

ＵＳＢ—ＤＥＶＩＣＥ—ＣＬＡＳｓ＿ＳＴＯＲＡＧＥ

ＵＳＢ——ＤＥＶＩＣＥ——ＣＬＡＳＳ——ＨＵＢ

７８９

打印机

大容量存储设备，如磁盘和光驱

ＵＳＢｈｕｂｓ

设备版本号

Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ强烈建议厂商在硬件或固件的修订版中增加设备版本号以便于下层软件更新。一般，厂商发行新版本硬件的同时也带来驱动程序的修订版。同样，硬件升级应该使以前用于掩盖硬件错误的软件补丁或过滤器驱动程序无效。系统的自动升级机制在遇到一个版本不明确的硬件时会失败。

ｉＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ、ｉＰｒｏｄｕｅｔ、和ｉＳｅｒｉａｌＮｕｍｂｅｒ域指向一个串描述符，该串描述符用人工可读的语言描述设备生产厂商、产品、和序列号。这些串是可选的，０值代表没有描述

串。

最后，ｂＮｕｍＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ指出该设备能实现多少种配置。Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ规定驱动程序仅工作于设备的第一种配置（１号配置）。

配置描述符

每个设备有一个或多个配置描述符，它们描述了设备能实行的各种配置方式。ＤＤＫ

中定义的配置描述符结构如下：

ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ——ＵＳＢ——ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ——ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ

｛

ＵＣＨＡＲｂＬｅｎｇｔｈ；

６

USB接口

绪论

ＵＣＨＡＲｂＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅ；

ＵＳＨＯＲＴｗＴｏｔａｌＬｅｎｇｔｈ；ＵＣＨＡＲｂＮｕｍＩｎｔｅｒｆａｃｅｓ；ＵＣＨＡＲｂＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎＶａｌｕｅ；ＵＣＨＡＲｉＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ；ＵＣＨＡＲｂｍＡｔｔｒｉｂｕｔｅｓ；

ＵＣＨＡＲＭａｘＰｏｗｅｒ；

｝ＵＳＢ＿ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ，宰ＰＵＳＢ＿ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ；

ｂＬｅｎｇｔｈ和山ＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅ域应为９和２，即是一个９字节长的配置描述符。ｗＴｏｔａｌＬｅｎｇｔｈ域为该配置描述符长度加上该配置内所有接口和端点描述符长度的总和。通常，主机在发出一个ＧＥＴＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ请求并正确接收到９字节长的配置描述符后，就会再发出一个ＧＥＴＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ请求并指定这个总长度。第二个请求把这个大联合描述符传输回来。

ｂＮｕｍＩｎｔｅｒｆａｃｅｓ指出该配置有多少个接口。这个值仅是接口的数量，不包括接口中的替换设置。这个域的目的是允许多功能设备存在，如一个有定位器（类似于鼠标）的键

盘。

ｂＣｏｎｎｇｕｒａｔｉｏｎＶａｌｕｅ域是该配置的索引值。可以用这个值ＳＥＴ设备置入未配置状态，此时仅有端点０是活动的）

ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ

控制请求中选择这个配置。注意设备的第一个配置描述符的索引为１。（选择配置０将把

ｉＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ域是一个可选的串描述符索引，指向描述该配置的Ｕｎｉｃｏｄｅ字符串。此值为０表明该配置没有串描述符。

ｂｍＡｔｔｒｉｂｕｔｅｓ字节包含描述该配置中设备电源和其它特性的的位掩码，见表ｌ一５。一个支持远程唤醒的配置应有远程唤醒属性位。该字节最高两位与ＭａｘＰｏｗｅｒ域一起描述配置中的电源特性。基本上，设置了最高位的配置都同时在ＭａｘＰｏｗｅｒ域中指出要从ｔＪＳＢ总线上获取的最大电流量（单位为２ｍＡ）。使用外接电源的配置需要设置自供电属性位。

表Ｉ－５．配置属性位‘¨

Ｔａｂ．１－５ＣｏｎｆｉｇｕｒＣｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎＢｉｔ

位掩码

８０ｈ４０ｈ２０ｈ

符号名称

ＵＳＢ—ＣＯＮＦＩＧ—ＢＵｓ－ＰＯＷＥＲＥＤ

描述废弃应总为１该配置为白供电该配置有远程唤醒特征

ＵＳＢ—ＣＯＮＦｌｑＳＥＬＦ—ＰＯＷＥＲＥＤ

ＵＳＢ—ＣＯＮＦＩＧ—ＲＥＭＯ理肜ＡＫＥＵＰ

接口描述符

每个配置有一个或多个接口描述符，它们描述了设备提供功能的接口。

ｔｙｐｅｄｅｆ

ｓｔｒｕｃｔ＿ＵＳＢ—ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ｛

７

USB接口

西安ＪＥ＿ｚ．大学硕士学位论文

ＵＣＨＡＲｂＬｅｎｇｔｈ；

ＵＣＨＡＲｂＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅ；ＵＣＨＡＲｂＩｎｔｅｒｆａｃｅＮｕｍｂｅｒ；ＵＣＨＡＲｂＡｌｔｅｍａｔｅＳｅｔｔｉｎｇ；ＵＣＨＡＲｂＮｕｍＥｎｄｐｏｉｎｔｓ；ＵＣＨＡＲｂＩｎｔｅｒｆａｃｅＣｌａｓｓ；ＵＣＨＡＲｂＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｕｂＣｌａｓｓ；

．

ＵＣＨＡＲｂＩｎｔｅｒｆａｃｅＰｒｏｔｏｃｏｌ；ＵＣＨＡＲｉＩｎｔｅｒｆａｃｅ；

，ＵＳＢＩＮＴＥＲＦＡＣＥＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ，＊ＰＵＳＢＩＮＴＥＲＦＡＣＥＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ；

ｂＬｅｎｇｔｈ和ｂＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅ域应为９和４。

ｂＩｎｔｅｒｆａｃｅＮｕｍｂｅｒ和ｂＡｌｔｅｒｎａｔｅＳｅｔｔｉｎｇ是索引值，用在ＳＥＴ＿ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ控制事务

中以指定要激活的接口。这些值可以是任意的，但习惯上，配置中的接口号从０开始，每个接口中的替换设置也是从０开始的。

ｂＮｕｍＥｎｄｐｏｉｎｔｓ域指出该接口有多少个端点，不包括端点０，端点０被认为是总存在的，并且是接口的一部分。

ｂＩｎｔｅｒｆａｃｅＣｌａｓｓ、ｂＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｕｂＣｌａｓｓ、和ｂＩｎｔｅｒｆａｃｅＰｒｏｔｏｃｏｌ域描述了接口提供的功能。一个非０的类代码应该是上面讨论的类代码中的一个，同时子类和协议代码也必须有与该类相类似的含义。这些域不允许有０值。最后，ｉＩｎｔｅｒｆａｃｅ是一个串描述符的索引，０表示该接口无描述串。

端点描述符

接口可以没有或有多个端点描述符，它们描述了处理事务的端点。ＤＤＫ中定义的端

点描述符结构如下：

ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ＿ＵＳＢ＿ＥＮＤＰＯＩＮＴ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ

｛

ＵＣＨＡＲｂＬｅｎｇｔｈ；

ＵＣＨＡＲｂＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅ；ＵＣＨＡＲｂＥｎｄｐｏｉｎｔＡｄｄｒｅｓｓ；ＵＣＨＡＲｂｍＡｔｔｒｉｂｕｔｅｓ；ＵＳＨＯＲＴ

ｗＭａｘＰａｃｋｅｔＳｉｚｅ；

ＵＣＨＡＲｂＩｎｔｅｒｖａｌ；

，ＵＳＢＥＮＤＰＯＩＮＴＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ，木ＰＵＳＢＥＮＤＰＯＩＮＴＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ；

ｂＬｅｎｇｔｈ和ｂＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅ域应为７和５。ｂＥｎｄｐｏｉｎｔＡｄｄｒｅｓｓ域编码端点的方向性和端点号。例如，地址值０ｘ８２指出该端点是一个端点号为２的ＩＮ端点，而０ｘ０２地址指出～个端点号为２的ＯＵＴ端点。除了端点０，两个端点可以有相同的端点号但方向相反。

８

USB接口

绪论

ｂｍＡｔｔｒｉｂｕｔｅｓ的低两位指出端点的类型。见表１－６。其余的位保留给将来使用，应设

为０。

表１－６．端点类型代码ｎ１

Ｔａｂ．１－６ＥｎｄｐｏｉｎｔＴｙｐｅＣｏｄｅ

符号名称值

０１２３

端点类型控制端点等时端点批量端点中断端点

ＵＳＢ—ＥＮＤＰＯ哐ｍ二ＲＰＥ—ＣＯＮＴＲＯＬ

ＵＳＢ—ＥＮＤＰＯＩＮｌ婴ＰＥ—ＩＳＯＣＨＲＯＮＯＵＳ

ＵＳＢ—ＥＮＤＰＯＩＮ＾ＲＰＥ—ＢＵＬＫ

ＵＳＢ—ＥＮＤＰＯＩＮ＼弋ＮＰＥ—ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ

种端点的可能值。

ｗＭａｘＰａｃｋｅｔＳｉｚｅ值指出该端点在一个事务中能传输的最大数据量，表１．Ｉ列出了每

中断端点和等时端点描述符还有一个用于指定循检间隔时间的ｂＩｎｔｅｒｖａｌ域，时间单位为毫秒。这个数指出主机以多长的周期循检这些端点，以查看是否有可能的数据传输。对于中断端点，该值的范围为ｌ到２５５毫秒，代表两次循检间的最大时间间隔。对于等时端点，该值应该为１，因为帧周期固定为１毫秒，每帧都应该循检。

串描述符

设备、配置、端点描述符都可以包含一个指向人工可读串的指针。串本身以ＵＳＢ串描述符的形式保存在设备中，串字符使用Ｕｎｉｃｏｄｅ编码。

ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ＿ｕｓＢ——ＳＴＲＩＮＧ——ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ

｛

ＵＣＨＡＲｂＬｅｎｇｔｈ；

ＵＣＨＡＲｂＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅ；

ＷＣＨＡＲｂＳｔｒｉｎｇ［１］；

）ＵＳＢ—ＳＴＲＩＮＧ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ，ＰＵＳＢ—ＳＴＲＩＮＧ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ；

ｂＬｅｎｇｔｈ值根据串数据长度可变。ｂＤｅｓｃｒｉｐｔｏｒＴｙｐｅ域的值应为３。ｂＳｔｒｉｎｇ域包含串数据本身。串的空结尾符应包含在描述符长度内。ＵＳＢ设备可以以多种语言支持串描述符。０号串描述符是设备所支持语言的标识符数组，它不是一个真正的串描述符。语言标识与Ｗｉｎ３２程序中使用的ＬＡＮＧＩＤ相同。如果向设备询问串描述符的某种未支持语言的表达，其结果在ＵＳＢ规范中没有规定，所以应该先读取串０数组。

１．３．６

ＵＳＢ设备枚举过程

要主机识别一个ＵＳＢ设备必须经过枚举的过程，主机使用总线枚举来识别和管理必要的设备状态变化。总线枚举过程如下‘２们：

（１）主机检测到有设备插入，总线复位

当设备与主机连接时，主机会检测到一个连接条件并且Ｄ＋的数据线拉至Ｖｅｓ以上２．５ｕｓ，主机就开始总线复位。

９

USB接口

西安理工大学硕士学位论文

（２）主机读取设备描述符

主机使用默认地址读取设备描述符。在这里主机使用地址０对设备的设备描述符进行读取。由于Ｄ１２的端点０的缓冲区只有１６个字节，所以单片机就先发送１６个字节设备描述符。当主机接收到这１６个字节描述符后，就认为真正有没有设备连接了，即发送１个０字节的数据包到设备作为状态应答。

（３）地址分配

在地址分配阶段里，主机分配给设备一个地址在以后的通讯罩设备就只对这个地址的信息作出应答。

（４）主机从新的地址获取设备描述符

分配好了设备地址后，主机就从新的地址获取设备描述符。由于受Ｄ１２芯片的限制，设备分两次从端点０把设备描述符发送出去，第一次发送１６个字节，第二次发送２个字节。最后主机发送一个字节数据包作为应答。

（５）主机读取配置描述符

主机读完设备描述符后就读取设备配置描述符。（６）读取描述符集合

主机除了读取设备描述符和配置描述符外，还要读取接口描述符和端点描述符。在这里主机使用再次读取配置的方法来读取配置描述符，接口描述符，端点描述符的集合。

（７）设置配置

主机读完描述符后，就需要对设备进行配置，使得设备从地址状态进入配置状态。（８）读取配置状态

主机设置完配置以后，设备即可使用但有时主机会对设备的配置状态进行读取。

１．４基于ＩＪＳＢ接口数据采集系统构成

数据采集系统于３部分组成（如图ｌ一３）分别为：数据采集卡，数据采集卡驱动程序和用户应用程序。

数据采集卡包括系统硬件电路及固件程序，它是本采集系统系统的基础。它用来完成信号的ＡＤ转换，并把转换好的信号传给ＵＳＢ接口。

数据采集卡驱动程序完成数据采集卡和应用程序之间的通信，它提供了应用程序与采集卡之间的软件接口，在装入后成为操作系统内核信任的部分，供用户应用程序使用标准的ＷＩＮ３２ＡＰＩ函数对硬件进行Ｉ／Ｏ操作。

用户应用程序是整个采集卡的最高层，直接与用户进行交互。主要功能是与采集卡驱动程序接口来获得数据，并把得到的数据进行处理、显示等操作，同时把用户命令通过驱动程序传递给采集卡，从而控制采集卡的参数设置。

ｌＯ

USB接口

绪论

ｆ蠹譬入

■

数摄浆绽转氍幼挫膨埘产癍捌狂膨

图１－３数据采集系统构成

Ｆｉｇ．１－３ＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＳｔｒｕｃｔｕｒｅ

１．５课题内容

本课题为研究室的研究项目，旨在研究开发一款目前比较流行的基于ＵＳＢ接口的数据采集卡。本课题分为以下几个主要方面：

（１）熟悉ＵＳＢ协议及体系结构，掌握操作系统知识，学习编写ＷＤＭ驱动程序（２）完成ＵＳＢ接口数据采集卡硬件电路设计并完成调试。（３）编写底层单片机程序并完成调试。（４）编写ＷＤＭ驱动程序并完成调试。

（５）完成上位机与下位机通讯接口编程及上位机软件的开发。其中难点是在于对协议的理解、ＷＤＭ驱动程序的编写及调试。

１．６课题意义

随着ＵＳＢ接口在ＰＣ机上已经成为标配以及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，基于ＵＳＢ接口的数据采集平台的优势日益突显出来。目前在基于ＵＳＢ的数据采集卡已经成为二种流行趋势。但目前让有一些问题尚在研究发展之中，如，高速实时同步数据采集。本课题旨在研究开发一款目前比较流行的基于ＵＳＢ接口的数据采集卡，为今后的大量应用奠定基

础。

USB接口

系统硬件电路设计

２．数据采集系统硬件电路设计

本课题选取了ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＰＤＩＵＳＢＤｌ２，ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸｌ１６６和ＡＴＥＭＬ公司的８９Ｃ５２芯片作为整个采集系统的核心芯片。下文将对这三款芯片进行详细介绍并进行相关硬件电路设计及调试。

２．１主要芯片介绍

２．１．１

ＰＤＩＵＳＢＤｌ

２简介

ＰＤⅡ毽ＢＤｌ２

Ｖ

Ｄ

．

巳

Ｉ

鼬ｍ抛㈣Ⅸｉ兰；耋ｍ越雠一淞娜

嚣

Ｉ

蚀一阱～一吼一Ⅷ如

图２．１ＰＤＩＵＳＢＤｌ２引脚定义

Ｆｉｇ．２－１ＰＤＩＵＳＢＤｌ２ＰｉｎＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎ

ＰＤＩＵＳＢＤｌ２是一款飞利浦公司生产的基于ＵＳＢｔ．１协议的ＵＳＢ控制器具体器件特性

如下：

（ｔ）符合ＵＳＢｌ．１版规范；

（２）高性能ＵＳＢ接口器件，集成了ＳＩＥ，ＦＩＦＯ储存器，收发器以及电压调整器：（３）符合大多数器件分类规格；

（４）可与任何外部微控制器／微处理器实现高速并行接口（２ＭＢ／Ｓ）；（５）完全自治的直接内存存取（ＤＭＡ）操作；（６）集成３２０Ｂ多结构ＦＩＦＯ存贮器；

（７）主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输；（８）在批量模式和同步模式下均可实现１ＭＢ／ｓ的数据传输速率；（９）具有良好的ＥＭＩ特性的总线供电能力；（１０）在挂起时可控制ＬａｚｙＣｌｏｃｋ输出：

１３

USB接口

西安理工大学硕士学位论文

（１１）可通过软件控制与ＵＳＢ的连接；

（１２）采用ＧｏｏｄＬｉｎｋ技术的连接指示器，在通讯时ＬＥＤ闪烁；（１３）可编程的时钟频率输出；

（１４）符合ＡＣＰＩ，ＯｎＮＯＷ和ＵＳＢ电源管理的要求；（１５）内部上电复位和低电压复位电路；（１６）有Ｓ０２８和ＴＳＳＯＰ２８封装；

（１７）工业级操作温度：．４０℃＿＋８５℃；

（１８）高于８ｋｖ的在片静电防护电路，减少了额外元件的费用；（１９）具有高错误恢复率的全扫描设计以确保其高品质；（２０）双电源操作：３．３Ｖ或５Ｖ电源，范围３．６Ｖ一５．５Ｖ：（２１）多中断模式实现批量和同步传输。

２．１．２ＭＡＸｌ１

６６简介

ＭＡＸｌｌ６６是美国ＭＡＸＩＭ公司生产的逐次逼近型１６位模数转换器，该芯片片内除集成了逐次逼近型ＡＤＣ所必须的逐次逼近寄存器ＳＡＲ、高精度比较器和控制逻辑外，还集成了时钟、４．０９６Ｖ精密参考源和接口电路，其内部结构框图如图２．２所示。ＭＡＸｌｌ６６的数据总线为８位，因此与目前广泛使用的８位微处理器连接非常方便“１。

图２－２ＭＡＸｌ１６６内部结构框图

Ｆｉｇ。２－２ＭＡＸ１１６６ＩｎｔｅｒｎａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅ

ＭＡＸｌ１６６的典型参数如下：

（１）并行数据输出接口：８位；（２）采样频率：１６５ｋｓｐｓ；

（３）精度：最大线性误差＋２ＬＳＢ，１６位无误码；（４）内部参考源电压：４．０９６Ｖ；

（５）外部参考源电压输入范围：＋３．８～５．２５Ｖ；

（６）模拟电压输入范围：＋４．７５～＋５．２５Ｖ；（７）数字电压输入范围：＋２．７～＋５．２５Ｖ；

１４

USB接口

系统硬件电路设计

（８）小电流：外部参考电源流为１．８ｍＡ，内部参考电源流为２．７ｍＡ，采样率在１０ｋｓｐｓ

时的外部参考电源电流为０．１ｐＡ；

（９）采用２０管脚ＴＳＳＯＰ封装。

ＭＡＸｌ１６６共有２０个引脚，图２为其引脚排列图，这些引脚大体可分为三类。

２．１．３

８９Ｃ５２简介

８９Ｃ５２是ＡＴＭＥＬ公司生产的一款非常经典的基于８０５１内核的ＭＣＵ，具体器件特性

如下：

（１）可编程Ｉ／Ｏ口３２个；（２）硬件计数器３个；

（３）片内ＲＡＭ２５６Ｂ，ＲＯＭ８Ｋ可扩展为６４Ｋ；

（４）有‘个中断源和一个通用串口。’

Ｐ１０，ｒ

１Ｐｏｏ

ＰＩｌ，Ｔ

ｌ坳ｌ

１．１２ｌ’０２

Ｐ１３Ｐ０３

Ｐｌｊ

］Ｐ０４

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耪ｃ，ｚ

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Ｐ１７

］Ｐ０７ｎ叮ｎ

ｎｍ

ｐ２０

ｌ崆ｌｐ】２Ｔｌ

Ｐ２３ＴＯ

Ｐ２４毫Ａ舯

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Ｐ２６ⅪＰ２７

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ＲＥＳｌＨ’

ＲⅪ，

薇；

１７ａＤ

ＡＩ鼍罨

Ｖ，ｌＬ

Ｐ８ｌＥＮ

图２—３８９Ｃ５２引脚定义

Ｆｉｇ．２－３８９Ｃ５２ＰｉｎＤｅｆｉｎｎｉｔｉｏｎ

２．２系统硬件电路设计

２．２．１系统硬件总框图

本系统硬件电路包括：时钟电路、按键复位电路、电源电路、Ａ／Ｄ转换电路、ＵＳＢ接口电路、串口电路。

缩蛩入

图２－４系统硬件总框图

Ｆｉｇ．２－４ＳｙｓｔｅｍＨａｄｗａｒｅＴｏｔａｌＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍ

１５

USB接口

３１Ｌ—３Ｔｌ）１

西安理工大学硕士学位论文

２．２．２

Ａ／Ｄ转换电路设计

。

模拟电源ＡＶＤＤ和数字电源ＤＶＤＤ应分别通过Ｏ．１ｌｘＦ的钽电容与模拟地和数字地相连接。而数字地ＤＧＮＤ和模拟地ＡＧＮＤｌ、ＡＧＮＤ２通常共地。因为使用内部参考电源所以ＲＥＦＡＤＪ端通过Ｏ．１ｌａＦ钽电容，ＲＥＦ该脚应通过４．７ｐＦ钽电容接模拟地；ＡＩＮ为信号

输入脚；Ｒ／Ｃ、ＨＥＮ、ＥＯＣ、ＣＳ分别接Ｐ１．㈣１．３口；Ｄ０－Ｄ１５接Ｐ２口。

如图２—５所示。

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图２－５ＭＡＸｌｌ６６外围电路

Ｆｉｇ．２—５

ＭＡＸＩ１６６

ＰｅｒｉｐｈｅｒｙＣｉｒｃｕｉｔ

２．２．３

ＵＳＢ接口电路设计

因为采取总线形式传输所以硬件连接如下：

ＰＤＩＵＳＢＤｌ２（下面简称Ｄ１２）ＡＬＥ与８９Ｃ５２（下面简称５２）的ＡＬＥ相连，Ｄ１２数据口与Ｐ０口相连Ｄ１２的ＣＳ、ＩＮＴ、ＷＲ、ＲＤ分别和５２的Ｐ１．６、．ＩＮＴ０、ＷＲ、ＲＤ脚相连；Ｄ１２的Ｄ＋、Ｄ一接１８欧姆限流电阻，Ｄ１２的ＩＮＴ、ＳＵＳＰＥＮＤ、ＲＥＳＥＴ、ＤＭＡＣＫ、ＥＯＴ接上拉电阻。如图２．６所示。

图２－６ＵＳＢ接口电路

Ｆｉｇ．２－６ＵＳＢＩｎｔｅｒｆａｃｅＣｉｒｃｕｉｔ

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USB接口

系统硬件电路设计

２．２．４串口电路设计

考虑到板子的扩展性，加入了ＭＡＸ２３２芯片电路如图２—７。

…．扎乙。

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１４

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图２．７串口连接图

Ｆｉｇ．２—７ＳｅｒｉａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅＣｉｒｃｕｉｔ

２．３电路调试

焊接前首先对ＰＣＢ光板进行检查，确定电路板制作过程中没有出现短路以及断路等

问题。

由于该电路板大部分核心器件为贴片封装，对焊接要求较高，因此焊接时要格外小心，注意不要将有极性的元件焊反。同时贴片电容，电容较小，焊接时要避免出现阻值，容值错误两脚短路等现象。并且，元器件要分步焊接，分步调试检测。

确认电路基本焊接无误后，上电，用示波器查看引脚波形。包括：

（１）查看８９Ｃ５２晶振频率是为１２Ｍ，Ｄ１２晶振频率是为６Ｍ。说明系统主时钟电路

正常：

（２）用示波器查看８９Ｃ５２的ＡＬＥ脚为２Ｍ方波，说明单片机工作正常；

（３）查看８９Ｃ５２的ｒｅｓｅｔ脚并按复位键看到ｒｅｓｅｔ脚可以拉高并回低，说明复位电路正常；

‘

（４）测量Ｄ１２的Ｖｏｕｔ脚，电平为３．３Ｖ，说明基本Ｄ１２工作正常。

完成上面几步后，往ＭＣＵ中下载ＡＤ采集测试程序（见３．２．６节），然后用示波器看ＣＳ、Ｒ／Ｃ、ＥＯＣ段的波形，时序如图２－８，ＡＤ芯片工作正常。给ＡＤ信号端分别输入

０Ｖ、２．５Ｖ、３Ｖ３．５

Ｖ和５Ｖ三个固定电平用数码管显示分别为０．０１Ｖ、２．４８Ｖ、２．９６Ｖ、３．５２Ｖ、

４．９９Ｖ，ＡＤ电路基本工作正常。

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