基于USB的串行通信软硬件设计

长春理工大学毕业设计I编号本科生毕业设计基于USB的串行通信软硬件设计BASEDONUSBSERIALCOMMUNICATIONSOFTWAREANDHARDWAREDESIGN学生姓名张权专业电子信息工程学号040411533指导教师杨光学院电子信息工程学院2008年6月长春理工大学毕业设计II摘要现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要进行高速数据采集，而USB总线具有高速传输、热拔插、即插即用等特点，已经在高速数据采集系统之中得到了越来越广泛的应用。文中以PIC单片机为核心，采用PIC单片机内部的A/D转换器，设计了基于USB100模块设计了一个数据采集系统。文中详细阐述了基于USB100模块设计了一个数据采集系统的方案选择和总体设计、硬件电路以及系统软件编程等。介绍了设计的具体的电路实现以及相应的实验结果，并在文中给出了系统的硬件原理图及软件程序流程图。关键词通用串行总线数据采集单片机ABSTRACTMODERNINDUSTRIALPRODUCTIONDATACOLLECTIONANDSCIENTIFICRESEARCHONTHEREQUIREMENTSOFINCREASINGTHETRANSIENTSIGNALMEASUREMENT,IMAGEPROCESSINGANDOTHERHIGHSPEED,HIGHPRECISIONMEASUREMENT,THENEEDFORHIGHSPEEDDATAACQUISITION,ANDTHEUSBBUSWITHHIGHSPEEDTRANSMISSION,HOTPLUG,PLUGANDPLAYFEATURES,HASBEENINHIGHSPEEDDATAACQUISITIONSYSTEMSHAVEBEENMOREWIDELYUSEDINAPICMICROCONTROLLERASTHECORE,APICMICROCONTROLLERINTERNALA/DCONVERTR,DESIGNEDUSB100MODULARDESIGNBASEDONADATACOLLECTIONSYSTEMDESCRIBEDINDETAILBASEDONTHEUSB100MODULEDESIGNEDADATACOLLECTIONSYSTEMANDTHEOVERALLDESIGNOFTHEOPTIONS,HARDWAREANDSYSTEMSOFTWAREPROGRAMMING,ANDSOONONTHESPECIFICDESIGNOFTHECIRCUITANDTHECORRESPONDINGRESULTS,ANDAREGIVENINTHETEXTOFTHEPRINCIPLEOFTHEHARDWAREANDSOFTWAREFLOWCHARTKEYWORDSUNIVERSALSERIALBUSDATAACQUISITIONSIGNALCHIP长春理工大学毕业设计I目录第一章绪论1第二章方案选择和总体设计321方案选择322总体设计5第三章系统硬件电路设计731单片机最小系统7311PIC单片机的特点7312PIC16F73单片机的引脚功能8313PIC16F73单片机最小系统932显示器接口电路设计1033USB接口电路设计12331USB100模块的特点12332USB100的引脚图及功能13333USB100控制时序13334USB100与单片机接口1434数据采集电路15第四章系统软件设计1741下位机软件设计17411LED显示程序模块17412数据发送模块17413数据接收模块18414压力数据采集模块19415数据处理模块2042上位机软件设计21421串行通信控件的应用21422数据处理23423数据库24结论27参考文献28致谢29长春理工大学毕业设计1第一章绪论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RS232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；RS232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RS232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RS232的优点于一身具有较高的传输速率（USB协议11支持最高传输速度达12MBPS，USB协议20支持最高传输速度可达480MBPS），实现了真正意义上的“即插即用”（PLUGI2000语句可以起到超过2N发出警示的作用。42上位机软件设计VB全称VISUALBASIC，是微软公司推出的基于BASIC语言的可视化编程环境,以其简单易学功能强大而倍受广大电脑爱好者的青睐。随着WINDOWS在国内的普及，特别是WINDOWS95的推出，越来越多的微机用户转向了WINDOWS操作系统。要开发一个功能强、界面美观的应用软件，其编程和调试的工作量是非常大的，许多并非搞软件出身的工程技术人员对WINDOWS编程望而生畏。然而使用微软的VISUALBASIC来开发这些方面的WINDOWS应用软件就十分方便，一般工程技术人员易于掌握，设计软件界面非常方便。编程工作量相对较小，只需进行主要应用功能的编程和少量界面控制的编程。VISUALBASIC更加简化了WINDOWS程序接口的设计工作,只需要极少量的代码，就能实现标准WINDOWS应用程序的接口。基于以上优点，PC机采用VB编程设计界面。421串行通信控件的应用1、串行通信控件在PC机上安装USB100模块专用驱动程序后，USB100即作为PC机上的一个标准设备，可以按照与操作串口完全一样的方法来编程，这也是USB100开发与其他USB方案相比最大的优点。在VB中可以将其按标准的串口来使用，用MSCOMM控件将USB100当作一个真实的串口来连接，并进行控制，此串口通信速率为8MBPS，PC上设定该串口的速率不会对传输速率有影响，这是与实际串口的区别。2、串行通信程序实现通信初始化设置程序如下长春理工大学毕业设计22WITHMSCOMM1通讯初始化INPUTMODECOMINPUTMODEBINARY设置接收数据模式为二进制形式INPUTLEN10设置INPUT一次从接收缓冲读取字节数为10STHRESHOLD5少于5字节时生成ONCOMM事件RTHRESHOLD4当接收缓冲区达到20个字节时引发接收事件INBUFFERCOUNT0清收发缓冲区OUTBUFFERCOUNT0ENDWITH3、PC机接收数据程序流程图PC机接收数据程序流程图如图45所示。长春理工大学毕业设计23图45PC机接收数据程序流程图422数据处理如果有随机干扰作用于信号传输过程中，VB接收到的数据就会偏离真实值。这样一来，仅采样一次，是无法确定该结果是否可信的，必须多次采样，得到一个A/D转换的数据系列，通过某种算法处理后，才能得到一个可信度较高的结果。长春理工大学毕业设计24PC机的优势在于它具有高速和大批量数据处理能力，本设计充分利用PC机的这个优点，在程序中加入了求平均值算法。标定处理主要完成采集到的数据与实测数据的映射关系处理，它需要不断的根据实测数据校正。423数据库数据采集的目的是对其进行分析处理或备案，将所得的数据存入数据库后可以方便的执行各种处理，又具有备案作用，所以，在程序中加入数据库操作部分是非常必要的。所谓数据库DATABASE,DB10就是长期存放在计算机内，以一定组织方式动态存储的、相互关联的、可共享的数据集合，它不仅包括数据本身，还包括相关数据之间的联系。数据库最大特点是通过联系减少了不必要的数据冗余。同时，不同用户可以使用同一数据库中自己所需的子集，从而实现数据共享。利用“可视化数据管理器”可以进行的数据库基本操作包括添加记录、编辑记录、删除记录等。数据DATA控件是VB提供的一个标准控件，通过该控件无需编写代码就可以方便地访问VB所支持的各种类型数据库中的数据。数据控件本身并不能显示和直接修改记录，只能在与数据控件相关联的数据约束控件中显示各个记录。数据录入数据库的程序如下SUBRU_KUMEDATA1RECORDSETADDNEW数据库记录开始TEXT6TEXTJTEXT7TEXTTIMETEXT5TEXTTRIMDATEMEDATA1RECORDSETUPDATEENDSUB其中，TEXT5、TEXT6和TEXT7分别与数据库列表中的日期、压力和时间对应。考虑到写入数据库操作和VB界面不能同时进行，本设计采用两个文本对应同一录入项的处理方法，即将处理后的数据同时送入两个TEXT文本框，其中一个用于界面中的实时显示，另一个则设为隐藏方式，它与数据库列表中的对应项关联，由它完成数据库的录入工作。部分数据库的记录如图46所示长春理工大学毕业设计25图46数据库中的记录图由于采集到的数据用TEXT文本显示不能留住历史记录，用列表框LISTBOX显示虽然可以查找历史数据，但效果很差。本设计选择MSFLEXGRID控件进行列表显示采集到的数据，MSFLEXGRID控件的一个主要特性是它能显示层次结构记录集，以层次结构方式显示关系表，另外，它可以显示网格数据，也可以对其进行操作。它提供了高度灵活的网格排序、合并和格式设置功能，网格中可以包含字符串和图片。使用该控件后，VB人机界面如图47所示。与MSFLEXGRID控件有关的程序说明如下数据表格属性设置MEMSFLEXGRID1TEXTMATRIX0,0“编号“MEMSFLEXGRID1TEXTMATRIX0,1“压力值“MEMSFLEXGRID1TEXTMATRIX0,2“日期“MEMSFLEXGRID1TEXTMATRIX0,3“时间“MEMSFLEXGRID1TEXTMATRIX0,4“检测次数“如何通过代码调节列宽度MSFLEXGRID1COLWIDTHI1000MSFLEXGRID1COLWIDTHI11300MSFLEXGRID1COLWIDTHI21000MSFLEXGRID1COLWIDTHI31000设置数据表格中的内容居中显示MSFLEXGRID1COLALIGNMENTINDEX5MSFLEXGRID1COLALIGNMENTINDEX15MSFLEXGRID1COLALIGNMENTINDEX25MSFLEXGRID1COLALIGNMENTINDEX35MSFLEXGRID1COLALIGNMENTINDEX45长春理工大学毕业设计26图47VB人机界面长春理工大学毕业设计27结论经过近三个多月的努力，毕业设计已近尾声。这次毕业设计是大学四年所学知识的综合运用，是对四年学习的总结和完善。本设计主要完成了以下设计任务微控制器与USB控制芯片的接口硬件设计，该设计结果能满足PC机与PIC单片机通信的基本要求，并具有通信工作指示功能，它具有一定的实用性，是在总结他人成功经验又进一步完善而成的；微控制器与USB控制芯片的通信程序设计，该程序能够完成正确的数据收发工作，并具有一定的通用性和很强的移植性；微控制器模拟数据采集部分软硬件设计，该部分由精密放大电路和PIC的A/D转换部分组成，能够正确的完成压力数据采集任务，还增加了PIC单片机的LED显示部分，使下位机系统具有了独立工作的能力；PC机与USB控制芯片的通信程序设计，该程序能够正确接收来自PIC单片机的数据，并将其列表显示，增加的数据库录入环节使系统功能更加完善。由于本人的能力和设计时间有限，设计还存在如下不足之处PC机的发送数据模块和PIC单片机的接收数据模块之间的相互协调有待进一步改进；PC机的数据处理能力没有很好利用，数据传输速率有待进一步提高。长春理工大学毕业设计28参考文献1洪永强微机原理与接口技术北京M科学出版社，200462萧世文USB20硬件设计M北京清华大学出版社，2002103张春平耿恒山微控制器在USB接口中的应用M中国电子网4迅通电子USB100通用串行总线模块J迅通科技数据手册5王铁钧主从控制系统的数据通讯中国工控网6刘启中等PIC单片机原理及应用北京北京航空航天大学出版社，2003127刘和平等PIC16F87X单片机实用软件与接口技术北京北京航空航天大学出版社，200248谭浩强C程序设计北京清华大学出版社，1999129罗朝盛VISUALBASIC60程序设计实用教程北京清华大学出版社，2004610廖彬山等VISUALBASIC面向对象与可视化程序设计北京清华大学出版社，20001011范逸之，陈立元VISUALBASIC与RS232串行通信控制北京清华大学出版社，2002612许永和USB外围设备设计与应用北京中国电力出版社，2002713张念淮，江浩USB总线接口开发指南北京国防工业出版社，2001314何立民单片机高级教程北京北京航空航天大学出版社，200015HI