USB接口的多路温湿度采集系统设备端设计 精品.doc

USB接口的多路温湿度采集系统设备端设计一引言传感器技术是信息社会的重要技术基础，其应用范围广泛。温湿度传感器在气象、环保、纺织、生化等行业应用量很大,另外温湿度传感器在农业、食品、木材、煤炭等行业也起着相当重要的作用。温湿度是两个独立的参量，在很多场合彼此不分离，因此，两个独立传感器往往给工作带来不便，采用一体化的温湿度传感器受到很大欢迎。现代工业生产和科学研究对数据采集系统的要求日益提高，目前比较通用的方法已逐渐不能适应其要求。例如在PC机或工控机内安装数据采集卡，如A/D卡、422卡或485卡等，这些数据采集卡存在很多缺点，比如说安装麻烦，价格昂贵，受PC机插槽数量、地址和中断资源限制，可扩展性差。随着计算机技术的发展，USB作为一种通用串行总线，以其方便易用、快速、价格低廉的特性，已经被广泛应用于各种数据传输设备。作为USB接口的多路温湿度采集系统，采用微控制器与多个一体化的数字温湿度传感器相连，采集温度和湿度数据，并将数据传送到USB设备端，由设备端传向主机。USB接口以其方便易用的接口数据传输方式，更适合大多数场所的应用。二USB协议简介2.1 USB的特点USB诞生之初，首先要比那些日趋成熟的其它接口形式拥有鲜明的优势，才能被用户广泛接受。事实证明，USB是一个成功的总线结构。（1）低版本USB协议的高速模式速率为12Mbps,低速模式为1.5Mbps，而USB2.0协议支持的最高传输速度能达到480Mbps。适用于带宽从几Kb/s到几百Mb/s的设备。（2）支持控制、大容量存储设备等，确保数据的正确性、完整性；支持声音、音频和视频等的实时数据传输。（3）安装配置容易，USB支持即插即用。自识别外设，自动将功能映射到驱动程序和配置。USB连接电缆提供了单一的模型，对于解决产品接口紧缺问题提供了完美的解决方案。（4）USB总线供电电压5V，最大电流500mA，对小功耗终端设备可以直接解决其供电问题。（5）易于扩展，支持高达127个物理设备。（6）使用灵活，USB共有4种传输模式，在主机和设备之间可以传输多种数据和消息流，可适用不同设备的需求。2.2 USB总线协议USB是一种轮询的总线，设备通过枚举过程，由主机控制器识别设备类型，并初始化所有的数据传输。大多数总线处理都包含最多3个包的传输，包的类型由PID类型决定。每次处理都从主机控制器在计划的基础上发送一个描述处理类型和方向、USB设备地址以及端点号的USB包的开始。被寻址的USB设备通过正确译码地址场可以知道发给自己的包。在特定的处理中，数据可以从主机传输到设备或者从设备传输到主机。数据的传输方向在令牌包中指定。收信方用一个握手包响应，指出传输是否成功。2.3 USB的总线结构USB的总线结构是采用阶梯式星形的拓扑结构。USB的设备有两种设备类型：USB集线器（Hub）与USB功能设备。主机端（Host）位于最顶端。从Host的联机往下连接至Hub，再由Hub按阶梯式，以一层或一阶的方式往下扩展出去，连接下一层的设备或另一个集线器上。注意，由于集线器和电缆的传播时间有定时限制，允许的最大层数是7。在这7层中，主机和任何设备之间的通信通路最多可支持5个非根集线器。一个复合设备如果占用了两层，那它不能分配到第七层。2.4 USB接口的电气特性USB每个连接头内拥有4个针脚,其中两个用来传递差分数据，另两个则是供给设备电源。全速和高速的差分数据信号线必须采用双绞线的形式，而且还必须加上屏蔽的处理，屏蔽的作用是防止高速传输时所产生的电磁干扰，但对于低速的差分数据信号线就无须使用绞线或加上屏蔽处理。USB规格中明确规定了全速设备缆线的最长范围为5m，慢速设备为3m，但在实际中必须考虑到传输延迟的问题，随着传输延迟的增加，缆线的最大长度也随之递减。2.5 数据传输方式USB支持将USB主机与USB设备之间的功能数据和控制的交换作为一组单向或双向的管道。USB数据传输在主机软件与USB设备的一个特定端点之间进行。USB体系结构定义了四种传输类型：控制传输、批量传输、中断传输和同步传输。2.5.1控制传输控制传输属于突发式、非周期性的，由主机软件发起的请求或响应的通信，通常用于命令事务和状态事务。控制传输用于支持在客户软件和设备功能之间的关于配置、命令、状态类型的通信流。每种外设都支持控制传输类型，并且要求将默认的控制管道作为消息管道，这样主机与外设之间就可以传送配置和命令/状态信息。控制传输方式中，数据传输是无损的。2.5.2批量传输批量传输是非周期性的、大量的突发性传送。典型地用于传送由打印机或扫描仪的大量数据，而且当没有可用带宽时，可以延时传输。批量传输可以在不确定的时间内，传送大量数据而阻塞总线，这是因为它会让其它传输类型首先执行，等到有可以利用的带宽时再进行传输。对于一个有大量数据和空闲带宽的USB设备，批量传输的速度相当快。2.5.3中断传输中断传输是低频率、固定延迟的通信。中断传输适用于那些请求传输的频率不高，但是必须在指定时间内完成传输的数据。现在应用较多的有USB键盘、鼠标、游戏杆等。中断传输需要快速地向主机报告当前的状态，这是由设备的属性和使用的场合所决定的。低速设备只支持控制传输和中断传输，因此，在低速设备中，有可能将中断传输用于一般的数据传输。2.5.4同步传输同步传输是在主机与设备之间周期性的、连续的通信，一般用于传输与时间相关的信息，例如声音、音频和视频信号。同步传输适用于以固定速率或在固定时间内的传输。对于由于错误而导致的传输失败，主机不会进行重新传输，否则会发生数据传输的时间延迟。该类型没有差错校验，故不能保证数据传输正确性。同步数据的典型例子是声音，如果这些数据流的传输速率不能保持，那么会使数据流产生丢失数据的情况；甚至在数据通过USB硬件以适当的速率传输时，软件引入的传输延时同样会降低如电话会议等应用要求的实时转向。三硬件电路设计3.1 USB接口的多路温湿度采集系统构成现在通用的数据采集系统一般采用PCI卡或RS-232串行口与计算机连接，PCI卡安装比较麻烦，需要打开主机箱，价格也较昂贵，RS-232串行口速度较慢，而且数量有限。普通的I/O口受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差，发展受到限制。USB总线标准自1995年提出后，目前已经非常成熟，也得到了IT业大部分软、硬件厂商的广泛支持，尤其是微软公司在其WIN98之后的操作系统中加强了对USB的系统支持后，USB总线迅速发展起来。USB是Universl Serial Bus的简称，使用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外设连接起来，并且不会损失带宽。USB的概念是在1994年提出的，1996年USB1.0协议公布，并应用于计算机技术，1998年后随着微软在Windows98中内置了对USB接口的支持模块，加上USB接口设备的日渐增多，USB逐步走进了实用阶段。USB2.0协议发布后，USB支持的最高速度从12Mbps达到了额定480Mbps，使USB的发展逐步推向高峰。现在的PC机都配备有USB接口，并且提供更多的USB接口以适应外部设备的需求，流行的操作系统也都支持USB，很多厂商提供USB芯片、外设。USB接口所具有的即插即用、接口数目多、传输速度高、无需单独电源供电等优点，满足了数据采集系统高速、便携、低成本的要求，且易于实现产品的微型化。本系统的硬件模块包括数字温湿度传感器、微控制器、USB通信接口等，硬件总体结构如图3-1所示。图3-1系统组成框图计算机单片机2单片机1通道显示温湿度传感器USB接口芯片温湿度传感器温湿度传感器单片机1控制数字温湿度传感器并监测其接口是否连有传感器，当该路传感器出现问题或没有连接时，会占用很长的一段采集时间，使数据采集延迟。当多次没有检测到传感器的时候，放弃对该路接口的读取，以节省时间资源，只有在重新设定后，才会再次读取该路数据。数码管显示当前读取的是哪路传感器。单片机1控制数字温湿度传感器进行温湿度转换，并读取转换后的结果，通过串口发送到设备端。单片机2负责控制USB接口芯片PDIUSBD12，完成设备枚举，接收远端传过来的温湿度数据，并通过芯片PDIUSBD12发送到主机端。两个单片机的配合完成温湿度数据的采集和传输。3.2 USB接口芯片简介选择合适的USB控制器芯片是一个首要而慎重的步骤，既要符合要求，降低成本，还要降低开发难度。随着USB的日益发展，它己经有了3个阶段性的跨越：低速模式、全速模式和高速模式。确定工程适合使用哪种模式的控制器直接决定了随后工作的方向和复杂度。同时，随着USB的日益推广，越来越多的厂商开始提供USB设备控制芯片。USB接口设计中有多种芯片选择方案，选用USB控制器的低层芯片，例如Cypress公司的CY7C63XXX系列，这类芯片是完全按照USB协议设计的，但由于其结构不同于其它常用控制芯片，开发者需要较长的学习时间，不利于快速开始一个项目；还可以采用具备USB通信功能的单片机，例如Intel/Cypress的8X931、Cypress的EZ-USB，这些单片机采用开发者熟悉的结构和指令集，构成系统的电路简单，调试方便，是目前比较常用的USB芯片；也可以采用连接到一般微控制器的接口芯片，例如飞利浦公司的PDIUSBD11/12、National半导体公司的USBN960x等，它可用一般的单片机开发系统进行开发。根据本系统的设计要求和实际情况，在权衡了成本、速度、开发难度等条件之后，在设计中选择了性价比较高的PHILIPS公司的USB控制芯片PDIUSBD12，单片机选用Atmel公司生产的AT89S52。图3-2给出PDIUSBD12的模型的功能框图。图3-2PDIUSBD12的功能框图PDIUSBD12是Philips公司推出的一款性价比很高的通用并行接口芯片，它支持多路复用、非多路复用和DMA并行传输。芯片遵循USB1.1协议，支持不同用途的传输类型。PDIUSBD12需要外接微控制器来进行协议处理和数据交互，它对单片机没有特殊的要求，因此设计者可以选择适合类型的单片机对芯片进行控制。PDIUSBD12片内集成有一个3.3V的电压调整器，可用于为模拟收发器提供电源。该电压可以作为输出外接1.5k的上拉电阻，也可以连接内部集成的1.5k的上拉电阻作为SoftConnect的内部电源；由于片内集成了648MHz倍频PLL，因此只需外接低频晶振就可以工作。位时钟恢复电路使用4X过采样规则，从进入的USB数据流中恢复时钟，它能跟踪USB规定范围内的抖动和频漂。SIE(串行接口引擎)能完整地执行USB协议， 它已经被完全固化在芯片内部，因此不需要任何固件干涉。这一部分包括同步识别、并/串行转换、CRC检测/产生、PID确认/产生、地址识别以及握手评定/产生。芯片的SoftConnect技术可以使单片机通过发送控制指令，完成USB数据线D+上1.5k的连接。PDIUSBD12的初始化由单片机发送控制命令完成。下一次连接无需拔出USB线既可完成。图3-3给出了PDIUSBD12的引脚排列图。图3-3PDIUSBD12引脚排列图对于与芯片PDIUSBD12相连的单片机来说，PDIUSBD12是一个有8位数据总线和1位地址线的存储设备，它支持多路复用和非复用地址数据总线以及DMA数据传输方式还支持主端点与本地共享RAM之间直接读取的DMA传输，支持单周期和突发模式的DMA传输。当外部设备经PDIUSBD12连接到集线器后，集线器就会检测到外设的连接状态并向主机报告。一旦发现有设备连接，主机就发送一系列请求给集线器,使得集线器在主机和设备之间建立一个通信管道。然后主机开始枚举设备，枚举过程完成后，主机即可从外设获得相关的配置信息并对外设进行配置。只有经过配置以后的外设才能被主机识别，并能和主机进行通信。3.3 PDIUSBD12端点描述PDIUSBD12的端点就像数据缓冲区一样，不同端点大小及方向不同，也就适用于不同类型的设备,例如图像、打印机、海量存储器和通信设备等所要求的数据传输方式及速度不同，所用端点不同。端点可通过“Set Mode”命令配置为4种不同的模式，分别为：模式0 NON-ISO模式： 非同步传输 模式1 ISO-OUT模式： 同步输出传输 模式2 ISO-IN 模式： 同步输入传输 模式3 ISO-IO 模式： 同步输入输出传输其各自的配置如表3-1、3-2、3-3、3-4。表3-1模式0端点数端点索引传输类型端点类型方向最大信息包规格(字节)001控制输出控制输入默认输出输入1616123普通输出普通输入普通普通输出 输入1616245普通输出普通输入普通普通输出 输入6464表3-2模式1端点数端点索引传输类型端点类型方向最大信息包规格(字节)001控制输出控制输入默认输出输入 1616123普通输出普通输入 普通 普通输出输入 16 1624同步输出同步输出128表3-3模式2端点数端点索引传输类型端点类型方向最大信息包规 格(字节)001控制输出 控制输入默认输出输入1616123普通输出普通输入普通普通输出输入161624同步输入同步输入128表3-4模式3端点数端点索引传输类型端点类型方向最大信息包规格(字节)001 控制输出 控制输入默认输出输入1616123普通输出普通输入普通普通输出输入161624同步输入同步输入64从以上四个表中可以看出，主端点（端点2）在有些方面是比较特别的，它有较大的缓冲区，是进行吞吐大数据的主要端点，它完成主机和外设之间传输大数据的任务。3.4 PDIUSBD12与51系列单片机的典型连接PDIUSBD12有一组8位的并行口以方便与单片机连接，而且其操作方式完全兼容8051模式，可以把PDIUSBD12芯片作为单片机的外部数据存储器来使用。单片机与PDIUSBD12的连接方式也有多种，只是引脚ALE和A0与单片机的连接方法不同。对于单片机来说，PDIUSBD12芯片是具有两个地址的外部数据存储器，一个地址用来写命令，一个地址用来读写数据。PDIUSBD12芯片还具有GoodLink LED指示器引脚，可以通过一个合适的电阻和发光二极管连接至VCC，当PDIUSBD12芯片工作时，该发光二极管能很好的指示其工作状态，特别是在调试过程中，其作用更是明显。在这里要特别指出的，PDIUSBD12芯片内部结构原因，应对其某些不用的引脚按照其功能通过电阻接至高电平或者低电平，否则芯片会由于外界轻微的干扰而不工作。在本设计中，把PDIUSBD12芯片与DMA传输有关的引脚经过10k电阻接至高电平，防止由于外界干扰，引起芯片误动作。该芯片与MCS8051单片机的典型连接如图3-4所示。图3-4MCS8051与PDIUSBD12的典型连接3.5 AT89S52芯片简介AT89S52是一种低功耗、高性能8位微控制器，具有8k在系统可编程Flash存储器，程序下载方便。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，方便程序得调试。其主要性能：（1）与MCS-51单片机产品兼容，8K字节在系统可编程Flash存储器（1000次擦写周期）。（2）4.0V5.5V电压操作范围，全静态操作：0Hz33MHz。（3）32个可编程I/O口，双数据指针，三个16位定时/计数器，一个看门狗定时器，八个中断源，全双工UART串行通道。（4）可工作在低功耗空闲和掉电模式，低功耗模式下中断可唤醒。3.6 温湿度传感器SHT11介绍SHT11是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。它采用专利的CMOS技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器中集成有一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器品质卓越、响应速度快、抗干扰能力强，具有极高的性价比。每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定，以镜面冷凝式露点仪为参照。通过标定得到的校准系数以程序形式储存在芯片本身的OTP内存中。通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小体积、极低功耗等优点使其成为各类应用中的首选。SHT11性能如表3-5所示。表3-5SHT11性能说明参数条件MinTypMax单位湿度分辨率0.50.030.03%RH81212bit重复性0.1%RH互换性可完全互换非线性度原始数据3%RH线性化1%RH量程范围0100%RH响应时间1/e(63%)缓慢流动空气4S迟滞0.1%RH长期稳定性典型值1%RH/yr温度分辨率0.040.010.01C0.070.020.02F121214bit重复性0.1C0.2F量程范围-40123.8C-40254.9F响应时间1/e(63%)530S四USB固件程序4.1 USB的固件结构固件程序分为两大模块，一部分为主循环，一部分为中断服务程序。其中中断子程序完成USB设备的枚举过程，以及响应各种IN命令和OUT命令。图4-1是固件程序的基本结构。RXRP ,主循环保持的读指针前台主循环程序后台中断服务程序（ISR）循环数据缓冲区RXWP，ISR保持的写指针图4-1USB控制固件的编程结构其中主循环在运行过程中不断检测各个状态位的变化，再根据各个状态位的变化做出相应的操作，其中单片机2温湿度数据的接收是在主循环中完成的。后台中断服务程序负责响应PDIUSBD12的中断，置位各标志位并应答主机命令。中断服务程序主要完成与USB协议相关的接口程序。4.2 USB硬件层固件程序硬件层固件程序是为完成硬件与软件的接口，这样做使程序具有很强的可移植性。它是根据硬件之间的连接方法来写的，更换微处理器时，只需更改硬件层固件程序即可，增强了程序的可移植性。硬件接口程序负责单片机与USB接口芯片之间完成数据传输。其中硬件接口程序分读数据，写数据和写命令。更换微控制器或更改硬件连接电路，内部中断管理程序分为中断初始化程序，中断响应程序，不同的CPU中断方式可能不同，在更换微控制器的时候这些地方的修改就显得尤为重要。4.3 USB设备的中断服务程序USB设备与主机的通讯始于设备插入主机，当设备插入主机以后，由单片机将设备的地址设置为默认的起始地址0，设置Softconnect为连接状态，即从硬件上将USB接口数据线D+上连接一个1.5k的电阻到VCC上。主机检测到D+上面有电平变化以后，即认为此时接口上连有设备。主机向USB总线先发送数据包，USB接口芯片PDIUSBD12对包标识进行判断，判断之后就置位相应标志位，使中断引脚有效，单片机产生中断后进入中断服务子程序。如图3-2中，在中断服务子程序里面单片机读取PDIUSBD12中断寄存器的值，清除中断标志位，然后逐位的检测，然后置位单片机内部相应的标志位。USB设备的中断响应程序流程图如图4-2。NoNoNoNoNoNoNoYesYesYesYesYesYes中断服务程序中断入口读取D12中断寄存器总线复位？挂起改变？控制输入？控制输出？端点输入？端点输出？设置挂起改变标志控制端点发送数据处理控制端点接受数据处理端点发送数据标志端点接受数据标志中断服务程序结束设置总线复位标志图4-2USB设备的中断响应PDIUSBD12的中断有以下几种：1）端点0的IN中断。2）端点0的OUT中断3）端点1的IN中断4）端点1的OUT中断5）端点2的IN中断6）端点2的OUT中断7）设备复位中断8）设备唤醒中断9）DMA传输中断在单片机固件中，不同的使用情况可以使用相应的标志位，当其标志位置位时就在主循环里面中就执行相应的服务程序。4.4 USB设备主循环程序USB在主循环里面处理主机发来的数据，当主循环检测到有标志位置位时，就转入到相应的