基于usb总线的数据通信系统学士学位论文.doc
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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学
2、校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定
3、,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日注 意 事 项1.设计(论文)的内容包括:1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)2)原创性声明3)中文摘要(300字左右)、关键词4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入)6)论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论7)参考文献8)致谢9)附录(对论文支持必要时)2.论文字数要求:理工类设计(论
4、文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。4.文字、图表要求:1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印4)图表应绘制于无格子的页面上5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档5.装订顺序1)设计(论文)2)附件:按照任务书、开题报告
5、、外文译文、译文原文(复印件)次序装订3)其它摘 要本论文以基于USB总线的数据采集系统为主要内容,阐述了利用美国Silicon Laboratories公司的C8051F320芯片组成的一套数据通信系统的设计方案、开发方法和开发过程,并给出了具体实现方案。本系统设计包括硬件设计和软件设计。在硬件设计部分,介绍了具体硬件设计方案。软件设计包括固件程序设计、驱动程序设计和应用程序设计三大部分。本文先从整体上介绍了程序的设计思想和层次结构,然后详细介绍了固件部分的设计过程,并给出了程序流程图和采用的固件函数库。驱动程序部分介绍了驱动程序的结构和定制过程。主机应用程序的设计部分介绍了所采用的API函
6、数,并给出了部分源代码和程序流程图。输入数据通过UART模块传到控制器,然后通过USB接口向上位机传送数据,或者上位机发出控制信息传到数据采集系统去。相对于传统的数据采集系统具有精度高、传输速率快、功耗低、体积小、抗干扰能力强等特点,具有很好的应用前景。关键词:C8051F320;USB;固件程序;驱动程序内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)AbstractThe paper is mainly concerned with the design process of data acquisition system that is based on USB bus. The design
7、scheme, developing method and developing process of a suit of data acquisition system used with America Silicon Laboratoriess C8051F320 are expatiated. In addition, the paper also gives the material realization scheme.This design includes hardware and software design. The hardware design part introd
8、uces that produces the concrete hardware design scheme, and the PCB design. There are three parts in the software design part, such as the firmwares development, the driver development program and the application program development. The paper shows the idea and layer structure of program design as
9、a whole, and then introduces the firmware design in detail and gives the flowcharts and firmware function library. In the part of device driver design, the structure and customization steps of driver are discussed. The design of host application program introduces the API functions and then introduc
10、es program flow diagram and gives a few codes of the firmware program.Input data transmitted through the UART controller module. The data which host sends to MCU by USB interface is send to another data terminal as a short message. This MCU receives the short message from the data collection and tra
11、nsmits it through the USB interface gives the host. The design achieves the function to transmit the data to the computer via USB interface and control the system condition with computer. It completes lower system power consumption lower cubage and higher anti-jamming than in traditional ways, and i
12、t has the wide prospect of application.Key words: C8051F320;USB; Firmware ;Device driver内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1数据采集系统的简介11.2USB新技术的出现21.3国内外现状及研究目的3第二章 USB数据采集系统的设计方案52.1 USB数据采集系统的总体设计方案52.2 硬件系统构成52.3 软件系统的构成62.4 USB数据采集系统的性能指标7第三章 系统硬件设计83.1 单片机的选择83.2 系统与主机连接的设计133.3 USB
13、接口电路163.4 系统复位电路173.5 系统晶振电路193.6 UART串口通信设计203.7 调试电路21第四章 系统软件设计234.1 系统软件设计的组成234.2 USB固件程序设计274.2.1 USB接口数据传输程序设计284.2.2 串口中断服务程序设计294.2.3 主程序设计304.3 系统上位机USB驱动程序设计334.4 应用程序设计344.5 软件系统的抗干扰设计35第五章 单片机系统调试36第六章 结论38附录A39附录B40参考文献52致谢54 内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)第一章 引 言在工业生产和科学技术研究的各行业中,常常要利用PC或工控机对各种数
14、据进行采集,如液位、温度、压力、频率等,而数据采集必须用到数据通信系统。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422卡、485卡。采用采集卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰,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,很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。这一章我将简单介绍数据通信系统、新技术USB的出现对其的影响,同时引出本文的标题基于USB总线的数据通信系统的设计。1.1 数据采集系统的简介数据通信系统是计算机在工业控制系统
15、中最为普遍的应用系统。在生产工程中,应用这一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、降低成本提供信息和手段。在科学研究中,应用数据通信系统可获得大量的动态信息,是研究瞬间物理工程的有力工具,也是获取科学奥秘的重要手段之一。总之,不论在哪个应用领域中,数据采集与处理越及时,工作效率就越高,取得的经济效益就越大。数据通信系统的任务是采集生产过程中的工况二次参数并经过A/D转换器送入内存储器中,然后再由CPU对这些参数和数据进行分析、运算和处理,如数字滤波、量纲变换、仪表误差修正、数字显示、越限报警及打印等,如再配上输出通道就可以方便地组成计算机控制系统。数据通信系统性能的好
16、坏,主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下,应有尽可能高的采样速度,以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。除了性能好以外,还要求数据采集系统能有其它特点,如使用方便、经济合理、安全可靠、抗干扰能力强等。现在常用的数据通信装置一般多是通过ISA或是PCI等内置式接口实现PC机与外围系统之间的通信。内置式插卡容易受到Pc机箱内高频信号的干扰影响,从而降低系统的采样精度和稳定性。此外,计算机主板上的插槽个数是有限的,加上仪器电路插卡的安装(必须断电、打开机箱操作)很不方便。更有甚者,在PC机箱内插入的专用插卡必须进行资源重配置,以避免资
17、源冲突,而此项工作专业性很强,往往令人头疼。这些弱点使得他们的应用受到了很大的局限。现在的UART串行口虽然支持外插,但因其速度太慢,远不能适用现今高速设备的发展需求。对于需要野外作业的场合,经常使用便携式的通信设备,将采集到的数据存储在设备中,带回室内再将它送给计算机进行分析处理:或是采用专门的利用笔记本的电脑实现的采集器。1.2 USB新技术的出现USB是Universal Serial Bus(通用串行总线,也译为万能总线)的简称,是1995年Compaq等公司为了解决传统总线的不足而推广的一种新型串行通讯标准。它使用一个4针插头作为标准插头,通过这个标准插头,采用菊花链形式可以把所有的
18、外设连接起来,并且不会损失带宽。USB具有易用、真正的热插拔、高性能和系统造价低廉等优点,也正是由于这些优点是它从书面的协议变成产品只用了不到两年的时间。USB总线是一个星型总线结构,它相对于以往的计算机外设总线如RS232、RS485等具有以下优点。(1)快速。USB1.1协议规定了两种速度:低速1.5Mbps、高速12Mbps,现有的USB2.0传输速率己经高达480Mbps,折合约60MB/s的峰值传输速率。(2)连接简单灵活。在USB方式下,允许外设热插拔,不必关闭主机电源,用户不必参与设备安装过程。另外, USB采用“级联方式,即每个USB设备用一个USB插头连接到一个外设的USB插
19、座上,而本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接使用。通过这种类似菊花链式的连接,一个USB控制器可以连接多达127个外设,而每个外设间距离(线缆长度)可达5米。(3)可以采用总线供电。普通的使用串口的、并口的设备都需要单独的供电系统,而USB设备提供总线供电和自供电两种方式。对于所需电流小于500MA,电压为5V的外设,可以采用总线供电,这样设备就不需要专门的交流电源了,从而降低了这些设备的成本,减小了外设体积,提高了性价比。(4)抗干扰性强。由于USB外设放置在计算机机箱外,不受机箱内的板间电磁干扰。如在电磁干扰比较严重的环境下,可以很容易设计屏蔽方案。(5)USB设备不涉及主机中断
20、请求(IRQ)冲突问题。USB口单独使用自己的保留中断,不会同其它设备争用PC机有限的资源,同样为用户省去了硬件配置的烦恼。(6)另外,USB设备一般都比同类功能的设备成本低。1.3 国内外现状及研究目的数字通信和处理技术的发展日新月异,随着集成电路技术和软件技术的不断发展和解决复杂问题能力的不断提高,数据通信系统的概念和内涵也在不断地调整,从最初单纯的采集,到现在包括高速、复杂的运算和信号处理,可扩展性和易用性的提高。人们在不停地寻求更先进优越的数据通信方法。USB技术一出现,人们就逐渐将其应用到了工业现场的数据通信系统中。发展到今天,结构清晰、流程简洁、性能强大的数据通信系统已离不开USB
21、技术的发展。目前,USB数据采集技术在国外已处于高速发展阶段。尤其是在高数据传输速度、高实时性、高同步性等方面有雄厚的技术实力。从事USB数据采集器开发的企业公司也很多,他们投入市场上的产品得到了广大用户的认可,主要产品有DATX公司的DT9800系列产品,美国Ocean Optics公司的ADC1000-USB等。国外产品进入我国市场较早,但就当前市场而言,并没有占据市场的主要份额,主要原因是高昂的价格和非汉化的操作界面使其推广受到限制。基于USB总线的数据通信系统的设计就是在这样的背景提出来的,课题项目的研究目的就是充分认识USB总线技术,并利用其优点来有效地解决传统数据通信系统的缺陷,参
22、考市场情况和智能仪器的设计要求,设计出一种较传统方式更有效、更经济、点数更多的实时数据通信系统。第二章 USB数据采集系统的设计方案本章介绍了基于USB总线的数据通信系统的总体设计方案,包括数据通信系统各部分的构成,要求达到的性能指标参数,以及设计时必须要解决的技术难点等内容。2.1 USB数据采集系统的总体设计方案对于任何一个数据通信系统来说,其设计的主要工作是系统结构的选择、进行硬件和软件的功能合理分配。数据通信系统设计的基本原则如下:(1)充分考虑系统输入信号的特性,确保性能指标能够完全实现;(2)对系统结构进行合理的选择,其中包括硬件、软件功能的合理分配,系统采用何种布局和接口方式;(
23、3)采用科学的方法设计应用软件;(4)保证在规定的工作环境下,系统能稳定、可靠地工作。2.2 硬件系统构成好的数据通信系统必须有好的硬件系统,才能够现场完成数据采集、存储、显示和分析。USB多路数据采集系统硬件部分的总体设计首先应选好系统的中央处理系统CPU,然后在其基础上扩展,选择其他的元器件,设计出与其相配套的电路部分,经调试后组成硬件系统。其中,在元器件选择和方案设计过程中应遵循以下原则:(1)数据采集系统在满足需要的前提下,选择低功耗、小体积的元器件,以延长使用时间、缩小仪器的体积。(2)电路设计力求简洁、可靠,尽量采用集成度高的芯片,减少外围元器件的数量。(3)设计中应预留进一步开发
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