基于USB协议实现的数据采集系统设计

摘要 温度是工控领域中主要的被控参数之一，在许多需要对温度进行监控和分析的场合需要一种精度和自动化水平高、应用范围广的温度采集手段。针对这一需求，本文设计实现了低成本、高可靠性、高速度的基于USB 接口温度采集系统，可以将温度传感器采集来的数据经放大转换处理后，通过USB接口传送到主机系统，使客户应用程序通过驱动程序得到数据，并根据需要对数据进行处理。 本文阐述了基于USB 接口，利用AT89S52 单片机和PDIUSBD12 芯片实现的温度采集系统的设计方案、开发方法、开发步骤，并给出了具体实现方案，包括基于USB 接口的温度采集系统硬件设计、固件设计、驱动程序和应用程序开发等关键技术。 硬件设计部分主要介绍了USB 控制器的选择和硬件的具体设计方案，给出了主要部分的电路原理图。固件设计部分先从总体上介绍了固件程序的设计思路及其层次结构，随后详细介绍了各层次程序的设计内容，并分析讨论了编程中用到的重要结构体和程序流程图及固件编程要注意的问题。驱动程序部分分析了WDM 驱动程序的结构、特性和工作机制，介绍了开发工具的选择原则，给出了驱动程序各功能模块的具体实现方案；应用程序部分分析给出了软件流程、编程实现及与USB 设备通信的方法。 关键词：温度采集；USB；PDIUSBD12；WDM 1.1.1??? 温度采集系统介绍 在工业生产、科研及医疗等需要严格进行温度控制的行业中，常常利用PC 机对温度进行监控和处理，这就需要一种精度和自动化水平高、应用范围广的温度采集手段，这使得基于单片机技术的温度采集系统得到了普遍应用。这种温度采集系统可以根据主机命令通过传感器采集温度信号，并通过放大转换后经通讯接口上传至主机，以进行进一步的显示、分析和处理。 温度采集系统由温度采集模块和主机系统组成，之间通过总线接口进行通讯。温度采集模块是以单片机为核心构成的智能系统，具有完整的信号采集、放大、A/D 转换、变换数据格式标准及执行上位机命令等功能。主机系统用来实现对温度采集模块的控制，进行温度数据读取，同时提供人机交互界面，实现对温度数据的显示、分析和处理等功能。而要实现主机系统的功能，则需要通过总线接口将对温度采集模块所采集到的温度数据发送到主机系统来完成[1]。 随着现代工业生产和科学研究对温度数据采集的要求日益提高，传输速度、纠错能力和操作安装的简易性是人们在使用温度采集系统过程中关注的目标，而数据通讯技术则成为其中的关键技术。任何一种数据通讯技术都离不开接口，温度采集系统采用何种接口进行通讯是影响系统整体效率的重要因素之一。 1.1.2??? 常用总线介绍[2] 1、 PCI PCI 总线是Intel 公司为Pentium处理器设计的一种新型标准总线，这种总线技术允许快速的内存，磁盘和视频访问[1]。PCI总线结构的高传输速度限制了PCI接口的数量，一般只能有两到三个（通常用于图形和硬盘控制器）。最大传输速度为264Mbps（只能在基于Pentium 处理器的系统中使用64 位软件才能达到）。 2、 SCSI SCSI 是一种智能型的总线子系统，可以支持多个外设同时协同操作，每个设备都有一个优先级。单个总线系统最多可以支持7 个设备。既可支持高质量的接头和电缆，也支持低质量的接头和电缆。而且在快速传输和增强型外设的支持方面有很大的潜力。目前各种SCSI 总线中，最好的Ultra-Scsi总线支持32 位数据总线，最大数据传输率为40Mbps[1]。 3、 IDE IDE 接口一般用于磁盘和光盘接口，它的特点是磁盘控制器做在驱动器里面，通过一个电缆直接与主板连接。这根电缆允许多个驱动器连接到系统，而不必担心总线和控制器冲突等问题。通常IDE 接口还包含至少32Kb 的磁盘缓存。现在典型的PC 机主板上有两个IDE 接口，每个接口可以连接两个硬盘或者一个硬盘和一个光驱，即最多可以接四个设备，数据传输率最大可以达到16.6Mbps。 4、 RS-232 RS-232 是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，常用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯[8]。RS-232 串行接口总线适用于设备之间的通讯距离不大于15m，传输速率最大为115kBps。从RS-232的基础上发展的RS-485，其最大传输距离约为1219 米，最大传输速率为10Mbps。 5、 IEEE 1394 IEEE 1394的前身为Firewire（火线），在PC个人计算机领域将它称为IEEE1394，在电子消费品领域，则更多的将它称为i.LINK，对于苹果机则仍以最早的Firewire 称之。IEEE 1394 着很多和USB 相类似的特点，也是一种高效的串行接口标准，最大传输速率可达400Mbps，可以在一个端口上连接最多达63 个设备，最新的IEEE 1394b 标准能达到800Mbps 的传输速率[4]。但是由于IEEE 1394 外设过于昂贵，大般用于公司或者高端用户。 6、 USB USB，全称为Universal Serial Bus（通用串行总线），是一种新规格的快速、灵活的总线，是PC 机和MAC 机都支持的总线标准[1]。在传统的个人电脑领域中，外围设备存在着许多问题，不管是ISA 总线还是PCI 总线，I/O地址冲突十分常见，都不能可靠地支持共享式中断。同时，这些大多数都是不可以随意插拔的，必须在开机前装好才能正常使用。事实上，这种接口使设备的连接毫无灵活性可言。USB 正是作为克服这些困难的一种解决方案而出现的，USB总线拓扑结构如图1-1所示。 1.1?????? 国内外发展现状 传统上，数据的采集系统由独立的机箱设备通过串口或GPIB 接口与计算机连接组成。随着基于计算机的测量技术的出现，数据采集设备可以通过PCI、ISA 或PXI 连接到PC 的数据总线[9]。在USB1.1 推出之前，支持USB的功能模块并不多，原因除了因为传统的通信接口，如RS232, IEEE488 等，一时难以退出应用领域外，一些早期USB 应用者因为平台的实用性不强而步履艰难。 随着Windows98 对USB 驱动软件(USBD)完善，使其可提供对USB 的强有力的支持，对USB 技术的发展起到重要推进作用[10]。自此，市场上涌现出大批的USB 产品。在1999 年初，在Intel 开发者论坛大会上，与会者介绍了USB2.0 规范，该规范的支持者除原有的成员外，又增加HP, Lucent 和PHILIPS 三个新成员。USB2.0 对USB1.1 所规定的性能有所扩展，又向下兼容，数据的传输率将达到480Mbps[12]。现在，越来越多的测量系统包含有通过USB 总线连接的测量设备。 2004 年5 月，NI 公司发起了一波“传感器即插即用”(Sensors Plug&Play)行动，在针对灵巧的TEDS (Transducer Electronic Data Sheet，传感器电子数据表) 传感器的IEEE 1451.4 标准的基础上推出了一系列数据采集产品。通过采用传感器即插即用技术和新的USB 数据采集设备，工程师和科学家们可以创建一个从传感器到软件的完整的即插即用数据采集系统[10]。现在有许多厂商提供经过预先测试可以无缝地与传感器即插即用硬件共同工作的传感器，开发人员可以使用NI LabVIEW、Microsoft Visual Basic 和C 来开发软件应用，以迅速、方便地进行测量[13]。 随着USB 数据采集设备继续减小体积和降低功耗，它们也变得更加便携和经济。通过兼容传感器即插即用特性和多种扩展技术，NI 公司USB 数据采集设备的功能更超越了它们自己本身。2006 年VDC 公司一份关于数据采集发展趋势的研究表明，几乎半数受访者计划购买一件USB 数据采集设备。随着USB On-The-Go 和无线USB 等新技术的出现，未来USB 在测量和自动化领域的应用必定无可限量[3]]。 1.2?????? ?课题研究的目标及意义 基于USB 接口的温度采集系统，不仅仅是将USB 接口用来传输数据，它需要依据USB 协议进行数据格式的转换；底层硬件设备与操作系统之间需要以驱动程序为桥梁；驱动程序要实现与Windows 系统底层核心机制相交互的功能。因此，研究USB 接口技术的内核原理，掌握系统设备端USB 接口设计和固件编程方法，及主机端设备驱动程序和应用程序的开发技术就成其关键。 本课题以研究基于USB 接口温度采集系统的开发和应用为主要目的，在深入分析研究USB 协议和设备构架的基础上，对基于USB 接口的温度采集系统进行硬件设计和软件编程。使温度采集模块采集来的数据通过USB 接口传送到主机系统，使客户应用程序通过驱动程序得到数据，并根据需要对数据进行处理。意义在于深入研究USB 接口技术的内核，掌握温度采集系统的硬件设计、固件程序、驱动程序及应用程序的开发等关键技术，积累设备开发经验，为今后温度采集系统更好地应用奠定基础。 1.3?????? ?本文结构 第一章，绪论部分，主要介绍了背景知识，基于USB数据传输的温度采集系统的国内外发展，课题的研究目的以及意义； 第二章，系统总体设计，主要从系统层面介绍了总体设计，系统的框架结构以及相关的技术背景； 第三章，系统硬件设计，主要介绍了AT89S52单片机的相关知识，USB控制器的选择，温度传感器的选择，以及具体的硬件设计实现； 第四章，固件程序设计，主要介绍了固件程序开发的主要工作，固件程序的结构以及固件程序的开发的具体实现； 第五章，上位机软件的开发，主要介绍了上位机端驱动程序及应用程序的开发。