1546.基于USB的串行通信软硬件设计毕业论文.doc

基于USB的串行通信软硬件设计1 引言在工业控制和数据采集系统中，单片机以其低成本，编程灵活、方便，实时性强和具有一定的智能而得到了广泛的应用。然而，许多复杂任务的实现，如人机对话、任务的切换、算法的实现、大数据的运算等，单片机就显得有些力不从心，而PC机在这方面却有强大的优势。这就需要将它们组合成系统，让单片机只管控制执行机构和进行数据采集与传输；PC机将数据进行处理，实现功能。这就涉及到单片机与PC机之间的通讯问题，在需要实时传递和处理声音和图象等大批数据的时候，普通的通信方式难以满足要求。这就为数据采集系统的设计提出了两个方面的要求：一方面，要求接口简单灵活且有较高的数据传输率；另一方面，由于数据量通常都较大，要求主机能够对实时数据做出快速响应，并及时进行分析和处理，并在单片机和PC机之间进行高速和可靠的通讯。传统的外设与主机的通信接口难以满足上述第一个方面的要求，这些接口一般采用PCI布部线或RS-232串行总线。PCI总线虽然有很高的传输率（可达132Mbps），还能“即插即用”，但是它们的扩充槽相当有限，且插拔并不方便；RS-232串行总线虽然连接方便，可是它的带宽非常有限，传输速度太慢，而且1条RS-232串口通信电缆只能连接1个物理设备。USB技术正是顺应这一要求提出的，它集PCI和RS-232的优点于一身：具有较高的传输速率（USB协议1.1支持最高传输速度达12Mbps，USB协议2.0支持最高传输速度可达480Mbps），实现了真正意义上的“即插即用”（Plug & Play），同时USB上最多可以连接127个外设，解决了如资源冲突、中断请求（IRQs）和直接数据通道（DMAs）等问题。因此，USB技术非常适合实时数据采集的场合，是目前较为流行的通讯方式。从应用方面来看，国外通用串行总线USB因其具备高速传输，即插即用等诸多优点，在各个领域得到了广泛应用；国内USB总线已经得到了控制工程师的普遍关注，由于其通信协议比较复杂，相关的研究成果还比较少，特别是USB与目前最具竞争力的工业微控制器（PIC单片机）通信的应用范例还很匮乏。本设计基于USB设计出了一套既简单又实用的串行通信程序，并制作了一个压力数据采集及实时显示的硬件电路对其进行了实例验证。设计选用美国微芯公司（Microchip）的主要产品PIC16F877单片机为主控制器，PC机的程序设计采用可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言Visual Basic。本设计作品能实现如下几项功能：1. 压力信号经精密放大电路后输入单片机进行A/D转换；2. 单片机对采集到的信号进行抗干扰处理和显示；3. 单片机将采集到的数据实时送入PC机；4. PC机对所得数据运算后列表显示并录入数据库；5. 单片机查询来自PC机的实时指令，并执行相应动作。图11 基于USB的高速数据采集系统示意图图11为基于USB的高速数据采集系统示意图，就本设计而言，传感器接收压力信号，PIC单片机的I/O控制口包括与USB100模块通信的标志位端口及LED显示输出口。2 总体规划数据采集是现代控制系统必不可少的控制任务，通用串行总线(USB)因具有传输速率快、接口简单、支持即插即用(Plug & Play)和使用维护方便等特点在控制领域具有广泛的应用前景。本设计以压力数据采集任务为载体，深入的学习和探讨了基于USB的串行通信的实现问题。本设计包括硬件接口设计和软件编程两个方面，软硬件结合能实现如图21所示的功能： 4位LED显示 VB的列表显示及数据库录入 PIC单片机将采集到的数据10个一组进行累加处理 PIC模数转换端口RA0 压力模拟信号 A/D转换 输入 输出 (a) 数据采集任务实现4位LED显示PIC单片机VB发送数据 （b） 控制任务实现图21 作品功能示意图2.1 USB接口及芯片选择2.1.1 USB接口当今的计算机外部设备，都在追求高速度和高通用性。为了满足用户的需求，以Intel为首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus通用串行总线)总线协议，专用于低、中速的计算机外设。目前，USB端口已成为了微机主板的标准端口；而在不久的将来，所有的微机外设，包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机、扫描仪和游戏柄等等，都将通过USB与主机相连。这种连接较以往普通并口和串口的连接而言，USB接口【1】的优势主要表现在以下几个方面： 1.使用方便，连接外设不必再打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。2.速度快，USB支持三种设备传输速率：1.5 Mb/s（低速设备）、12 Mb/s（中速设备）480 Mb/s（高速设备）。3.独立供电，USB接口提供了内置电源。4.连接灵活，一个USB口理论上可以连接127个USB设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用 串行连接，也可以使用集线器Hub，把多个设备连接在一起，再同PC机的USB口相接。5.成本低，为了把外设连接到PC上，USB提供了一种低成本的解决方案。综合上述我决定采用USB接口。2.1.2 USB100模块与同类产品的比较从网上收集到的资料整理结果如表21所示： 表21 USB100模块与相同功能产品的比较相同功能产品比较产品名称USB100模块JaRa 2201 I-7560CHTU-V20图片支持版本USB 1.1 标准USB（Universal Serial Bus）Rev.1.0 兼容USB 1.1 标准USB（Universal Serial Bus）Rev.1.0 兼容传输速率8Mbps230Kbps115.2K bps230Kbps对操作系统的要求Windows 98/ME/ 2000/ XPWindows95/98/2000/XPWindows 98/ME/2000/XP 及LinuxWindows95/98/2000/XP价格（元）98695970分析后不难发现：USB100模块在传输速率上具有突出优势，对系统没有特殊的要求，是其中性价比最高的一款芯片，且能满足本设计高速数据传输的要求。2.1.3 USB接口控制芯片介绍USB接口控制芯片分类【2】说明如下：1. 按传输速度的高低：低速（1.5Mbps）和全速(12Mbps)可选USB1.1接口芯片，例如Philips公司的PDIUSBD12、Cypress公司的EZ-USB2100系列和迅通公司的USB100；高速（480Mbps）可选USB2.0接口芯片，例如Philips公司的ISP1581、Cypress公司的CY7C68013和迅通公司的USB130。2. 是否带MCU（微控制器）：一般Philips公司的都不带MCU，Cypress公司大多都带，例如AN2131。3. 是否带主控器功能：不需要主机参与，主从设备间可进行数据传输的芯片有Philips公司的ISP1301和Cypress公司的SL811HS等。还有专门用途USB芯片，例如闪存专用芯片IC1114。工程中用户可根据自己的需求选择一款性价比高的芯片。另外可用开发资源也是要考虑的重要方面，例如开发板和芯片厂商提供的网上资源，可大大降低开发的难度。2.2 微控制器选型当今微控制器的种类很多，从生产厂家来说有几十家，例如：美国Intel公司，TI公司、美国微芯公司、韩国现代（LG）公司、台湾义隆公司和凌阳公司等。下面通过对当前流行的3类微控制器的介绍，阐述选择PIC单片机的依据。2.2.1 凌阳16位单片机随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统控制扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的µnSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称µnSP）。围绕µnSP所形成的16位µnSP系列单片机（以下简称µnSP家族）采用的是模块式集成结构，µnSP内核是一个通用的核结构，以µnSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件，这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合，这样做使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。从目前的应用来看，凌阳16位单片机的优势在于它具有强大的语音处理功能。然而，它在工业控制现场的应用案例较少，在控制领域并不具备突出的竞争力。最重要的是，凌阳公司在国内的技术推广才刚开始，本科四年对凌阳单片机的了解还十分有限，在毕业设计期间化大量时间学习单片机的基础知识显然很不合适。2.2.2 MCS-51系列单片机传统的51系列微控制器，在国内使用时间比较长，开发所需的资料也比较多，但其片内资源较少，在外围电路中需加入多种模块，如：A/D转换器、PWM、RAM和ROM存储器等。它的优点是外围电路易于扩展，尤其是存储器的容量可以按需求增大，缺点是在线调试程序不方便。如果应用到本设计中，外围扩展电路比较复杂，电路板空间和制造成本较大，而且在硬件电路的制做和调试方面也有一定的困难。2.2.3 PIC系列单片机PIC系列单片机是美国微芯公司（Microchip）的主要产品，有PIC16系列、PIC17系列、PIC18系列等。PIC系列单片机CPU采用RISC结构，它具有运行速度快、工作电压低、功耗低、较大的输入输出直接驱动能力、价格低和体积小等优点。本设计选用的PIC16F877 单片机是PIC系列的中档产品，其内部资源非常丰富,含有8K的FLASH程序存储器、368B的RAM数据存储器、256B的EEPROM数据存储器、8通道10位A/D转换器、3个定时器、2个捕捉/比较/脉宽调制、1个同步串行端口SPI和通用同步/异步收发器 USART等。另外，它具有外围接口电路简单、工作性能稳定等特点。本设计选择该芯片作为下位机控制的核心，利用上述丰富的资源来完成A/D转换、收发数据、输出显示信号等处理和指定的控制任务。 2.3 压力传感器选型2.3.1 选型综述传感器(Sensor)是将各种非电量(包括物理量、化学量和生物量等)按一定规律转换成易于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。在本设计中使用了压力传感器，它是力的测试中最关键的装置。它的种类繁多，有电容式、压阻式、差动变压器式、压电式、电阻应变式等。本设计选用的应变片式差压测力传感器，它具有灵敏度高、线性度和稳定性好、结构简单、动态性能优良等优点，广泛应用于力的测试中，其常见外观如图22所示： （a）柱形 （b） 悬臂梁形图22 电阻应变式测力传感器2.3.2 压力传感器参数压力传感器是把压力转换成电信号的传感器，用半导体材料制成的压力传感器称为半导体压力传感器，由于其体积小、重量轻、灵敏度高、功耗小、便于集成等优点，发展十分迅速，应用也很广泛。在本设计的过程中选用了S形双弯曲梁应变片式测力传感器，其的结构示意图如图23所示：图23 S形双弯曲梁压力传感器结构示意图S形双弯曲梁应变片式测力传感器主要参数如下：额定载荷：3kg额定输出：1.3mV/V输入电阻：350输出电阻：350非线性：0