基于USB总线和89C51单片机的数据采集设计.doc

论文题目：基于USB总线和89C51单片机的数据采集系统设计学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：完成时间：摘要本文介绍了基于USB总线的数据采集设备的开发法，包括数据采集硬件设计、USB总线的硬件设计，同时也简单的介绍了设备固件设计、基于USB的远程数据采集。89C51通过对多路采集模块进行控制,选出一路通道的数据寄存在单片机，再通过USB芯片将89C51采集到的数据上传给上位机。关键词：数据采集，89C51，通用串行总线BasedontheUSBbusand89C51single-chipdataacquisitionsystemdesignAbstractThispaperintroducestheacquisitionbasedonUSBbus-baseddataacquisition,includingthedataacquisitionhardwaredesignandUSBbusofthehardwaredesign.AlsointroducesUSB-basedremotedataacquisitionsystemandfirmwaredesign.89C51selectsthewaydatastoragechannelinthesingle-chipbycontrollingmulti-channelmodule,andthenthedatacollectedby89C51uploadtothehostcomputer.throughtheUSBchipsKeyword:DataAcquisition,89C51Single-chip,UniversalSerialB目录1引言.12总体方案设计.12.1设计思路.12.2设计方框图.13数据采集设计.23.1模拟信号的多路选择.23.2多路开关原理.23.3A/D转换介绍.33.3.1分辨率.33.3.2误差和精度.43.3.3转换速率.43.3.4A/D转换的方法.43.4数据采样电路.44单片机介绍.64.1单片机的基本组成.64.2单片机引脚及功能.65USB接口电路设计.75.1USB芯片内部结构.85.1.1端点端点端点外部固件参考流程.95.2USB芯片与单片机的接口电路.105.3USB设备驱动程序设计.116应用程序设计.127设备固件设计.138远程数据采集系统设计.149结束语.15致谢.15参考文献.15附录一整体电路图.17附录二CH375芯片管脚.18附录三程序清单.191引言在工业生产和科学技术研究过程中，常常需要对各种数据进行采集，现在常用的数据采集方式是在PC机或工控机内部安装数据采集卡，如A/D卡、RS-422卡及RS-485卡。采集卡不仅安装麻烦，易受机箱内其他电路的干扰，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。本设计利用通用串行总线(UniversalSerialBus，简称USB)设计了基于USB总线的数据采集设备很好地解决以上这些冲突。2总体方案设计2.1设计思路本设计主要包括三部分：数据采集设计部分，单片机控制部分和USB设计部分。数据采集由多路模拟开关、滤波采样保持、隔离放大、A/D转换、光电隔离器组成。单片机采用AT89C51。USB电路主要采用CH375芯片。单片机再从地址寄存器中发出地址控制信号经光耦控制多路模拟开关。多路模拟模拟开关根据地址控制信号选择一路信号进行滤波、放大、A/D转换后送至单片机的移位寄存器。移位寄存器将采集到得数据转换为8位并行是传送到USB芯片的数据缓冲区中；一旦数据缓冲区存满，USB芯片自动将数据打包即时请求读入数据,然后89C51系统将数据从数据缓冲区中读出，由收发器通过数据线(D+、D-)送至主机。2.2设计方框图图1设计方框图光电隔离器多路模拟开关单片机USB电路上位机滤波采样隔离放大A/D转换3数据采集设计3.1模拟信号的多路选择32路模拟电压信号（如1-5V）送往多路模拟开关组成的模拟数据选择器，选择控制信号决定其中1路模拟信号经滤波、隔离放大、A/D转换，变为M位十进制数据，存到单片机的移位寄存器中移位寄存器，单片机再将采集到得数据转换为8位并行数据由USB接口电路送到上位机。当地址线为8位是，最多可达2的8次方256路。如不采用数据选择方案，则所需的隔离放大器、A/D转换器也将多达256个4。3.2多路开关原理多路开关是切换数字信号和模拟信号的器件，也称多路转换器或多路复用器，记为MUX，能切换数字信号的多路开关也称数据选择和数据分配器；能切换模拟信号的多路开关也称多路模拟开关，模拟开关同时也能切换数字信号。早期的多路开关曾采用继电器，但它有速度慢、体积大、噪声大、使用寿命短等缺点。现在的数据采用电路中多采用集成的多路开关，典型的多路开关有4双通道多路开关、单8通道多路开关、双8通道多路开关、单16通道多路开关等。其中单8通道多路开关典型的产品型号为CD4051，但由于它们是早期标准CMOS产品，性能已经不能满足控制系统的许多要求。AD公司的ADG658/659是CD4051/CD4052的改进型。现已ADG658/ADG659为例介绍其机构和功能，ADG658/ADG659引脚图如图2所示,其功能见表1。图2ADG658/ADG65引脚图1S52S73D4S85S66EN/7VSS8GND9A210A111A012S413S114S215S316VDDADG6581S1B2S3B3DB4S4B5S2B6EN/7VSS8GND9A110A011S4A12S1A13DA14S2A15S3A16VDDADG659表1ADG658功能表A2A1A0EN/输出DXXX1与输入断开0000S10010S20100S30110S41000S51010S61100S71110S8ADG658有一个使能端EN/和三个选择/分配控制端A2、A1、A0，S1-S8和D分别为多路开关引出端，S1-S8既可作输出，也可做输入。S1-S8做输入时，D做输出。当把ADG658视为8选1数据选择器时，A2、A1、A0为选择控制端，S1-S8做输出，D为输入：当把ADG658视为1至8数据分配器时，A2、A1、A0为分配控制端，使能端EN/=1是，S1-S8与D之间断开。EN/和A2、A1、A0为逻辑信号输入端，S1-S8与D之间可传逻辑信号4。表2ADG659功能表A1A0EN/输出DA输出DBXX1与输入断开与输入断开000S1AS1B010S2AS2B100S3AS3B110S4AS4BADG659有一个使能端EN/和两个选择分配控制端A1、A0，S1A-S4A和DA、S1B-S4B和DB分别构成4：1MUX,它同时受EN、A1、A0控制。3.3A/D转换介绍3.3.1分辨率分辨率是用来表示ADC对于输入模拟信号的分辨能力，也即ADC输出的数字编码能反映