2022年2022年基于USB总线和ATC的数据采集系统 .pdf

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1、文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.基于 USB 总线和 89C51 单片机的数据采集系统设计时间：2012-02-28 13:04:34 来源：作者：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

2、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.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

3、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。USBN9602 与 89C51 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

4、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 U

5、SB 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

6、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，并根名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.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

7、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。

8、图 2 USBN9602 与 89C51 接口电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.图 3 USB 系统驱动程序层次关系名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.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

9、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

10、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(如名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -文档来源为:从网络收

11、集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.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

12、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

13、-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-485USB 转换器，可以采用USBN9602+89C51+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-485USB 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RS485USB 转

14、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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持.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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -