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基于USB总线的高速数据采集系统设计

摘要   通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是一种新型的微机总线接口规范。随着客户对系统数据采集速度要求的不断提高，USB以其使用方便、易于扩展、速度快等优点而越来越多的应用于数据采集系统中。本文介绍了一种基于USB总线的数据采集系统的设计方法，采用PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12与单片机AT89C51进行通信，并和PC机通信而编制出友善的设备应用程序。该系统用传统的USB总线取代了RS232串行总线，通过对USB协议和设备构架的充分理解，对以单片机89C51和USB接口芯片PDIUSBD12为主的数据采集系统进行了硬件设计和软件编程，并在此设计的基础上给出相应的原理图。硬件设计主要解决的是PDIUSBD12和ADC0809与单片机之间的接口电路问题，软件编程大致分为三部分:一是为满足D12在USB上的最大传输速率而编写的固件程序;二是在PC机中的Windows 2000工作环境下编写USB设备驱动程序;三是充分了解D12的主要功能特点，并编写出应用程序。通过该数据采集系统，我们可以对USB协议有很深刻的理解，对D12接口芯片有很熟练的应用，能更好领悟USB接口的优势。   关键词：USB总线；单片机；数据采集；固件；Windows驱动程序模型；设备驱动程序；客户应用程序   ABSTRACT   Universal Serial Bus is a new specification for microcomputer bus interface. With the continuing advance of the clients' demand for the speed of a data collection system, USB is more and more widely used in data collection system for its advantages such as convenience, expanding port with ease and high speed etc. this article presents a particular description of the design and development of a data collection system based on USB.single chip programs the fireware to the USB interface chip—PDIUSBD12; communication appears between D12 and up-location computer and man-machine mutual interface comes into being; lots of data from the industry spot are printed, analyzed and disposed on time. On the base of wonderful understanding to USB protocol and device truss, I finish the hardware design and software programme of the data collection system. And draw the principle chart. ? The software programme mainly includes: the fireware code in need of D12's maximum transmission rate; USB device driver and client application under the circustance of Win2000 operation system in computer. After this data collection system,we can understand the USB protocol profoundly and apply the interface chip-PDIUSBDI2 proficiently. In all, the advantages of this interface technique may helps to your design arrangement.   KEY WORDS：USB bus；data collection；MCU；fireware；WDM；device drive program；client application     目录   文摘.............................................................. 1 英文文摘.......................................................... 1 1 绪论............................................................. 1.1 课题背景..................................................... 1.2 课题的提出................................................... 1.3 USB简介...................................................... 1.4 主要工作..................................................... 2 USB1.1协议.......................................................... 2.1 USB的互连.................................................... 2.2 USB的主机.................................................... 2.2.1 USB主机概述.............................................. 2.2.2 USB驱动(USBD)............................................ 2.3USB设备....................................................... 2.3.1 USB设备状态.............................................. 2.3.2 通用USB设备操作.......................................... 2.3.3 USB设备请求.............................................. 2.4 USB的物理层.................................................. 2.5 USB数据流.................................................... 3 数据采集系统的固件设计.............................................. 3.1 固件的开发环境............................................... 3.2 采用PDIUSBD12的固件设计...................................... 3.2.1 固件要完成的主要工作..................................... 3.2.2 PDIUSBD12芯片特点........................................ 3.2.3 PDIUSBD12固件程序的编写.................................. 3.3 固件的文件结构............................................... 3.4 固件的编程实现............................................... 3.4.1 底层函数................................................. 3.4.2 命令接口................................................. 3.4.3 中断服务程序ISR.C........................................ 3.4.4 主循环MAINLOOP.C......................................... 4 USB设备驱动程序设计................................................. 4.1 Windows2000驱动程序.......................................... 4.2 WDM驱动程序结构模型.......................................... 4.2.1 USB设备驱动程序层次结构.................................. 4.2.2设备对象.................................................. 4.2.3标准总线驱动程序和类驱动程序.............................. 4.2.4 WDM驱动程序的结构........................................ 4.3 USB驱动的开发环境............................................ 4.3.1 驱动的开发工具........................................... 4.3.2 驱动开发环境的安装与设置................................. 4.4 驱动程序的实现............................................... 4.4.1 驱动入口................................................. 4.4.2数据传输控制.............................................. 5 USB设备应用程序设计................................................. 5.1 Win32 API简介................................................ 5.2动态链接库.................................................... 5.3 MFC的应用程序开发............................................ 5.4设备应用程序与WDM的通信....................................... 5.4.1 Win32应用程序对WDM的通信................................. 5.4.2 WDM对Win32应用程序的通信................................. 5.5 应用程序的实现............................................... 6 数据采集系统的硬件设计.............................................. 6.1 硬件系统的结构............................................... 6.2 接口芯片选择................................................. 6.３ 接口硬件设计................................................ 6.3.1 A/D与单片机接口电路...................................... 6.3.2 PDIUSBDI2与单片机接口电路................................     1  绪论 1.1 课题背景 随着数字化的广泛应用，数据采集也越来越重要，传统的外设与主机的通信口一般采用ISA、PCI、C PCI、1394等标准，基于这些接口的产品，安装麻烦，价格昂贵，并受计算机插槽数量、地址中断资源限制，且可扩展性差，USB的出现，很好地解决了以上问题。 USB作为一种新型的串口通信标准，具有较高的传输速率，可扩展性好，采用总线供电，使用灵活。它共有4种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，以适应不同设备的需要。 信息技术与电子技术的迅猛发展，使得计算机和外围设备也得到飞速发展和应用。过去人们单纯追求计算机与外设之间的传输速度，现在纠错能力和操作安装的简易性也成为人们关注的目标。USB通讯技术的出现，使高传输速度、强纠错能力、易扩展性、方便的即插即用，有机的结合在一起。USB设备需要依据USB协议进行数据的解包与打包，底层硬件设备与操作系统之间需要以驱动程序为桥梁。驱动程序以WDM为模型，以DDK为开发工具，以IRP为消息传播载体，来实现与Windows系统底层核心机制相交互的功能。