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1、本科生毕业设计本科生毕业设计 基于 USB 的串行通信软硬件设计 Based on USB serial communication software and hardware design 学学 生生 姓姓 名名 专专 业业电子信息工程 学学 号号 指指 导导 教教 师师 学学 院院电子信息工程学院 摘摘 要要 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
2、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：关键词：通用串行总线通用串行总线 数据采集数据采集 单片机单片机 Abstract Modern industrial production data collection and scientific research on the require- ments of increasing the
3、 transient signal measurement, image processing and other high -speed, high-precision measurement, the need for high-speed data acquisition, and the USB bus with high-speed transmission, hot plug, Plug-and-play features, has been in high-speed data acquisition systems have been more widely used. In
4、a PIC microcontroller as the core, a PIC microcontroller internal A / D convert- r, designed USB100 modular design based on a data collection system. Described in detail based on the USB100 module designed a data collection syste- m and the overall design of the options, hardware and system software
5、 programming, and so on. On the specific design of the circuit and the corresponding results, and are given in the text of the principle of the hardware and software flow chart. KeyWords：Universal Serial Bus Data Acquisition Signal Chip 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 第二章第二章 方案选择和总体设计方案选择和总体设计.3 2.1 方案选择.3 2.2
6、总体设计.5 第三章第三章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计.7 3.1 单片机最小系统.7 3.1.1 PIC 单片机的特点.7 3.1.2 PIC16F73 单片机的引脚功能.8 3.1.3 PIC16F73 单片机最小系统.9 3.2 显示器接口电路设计.10 3.3 USB 接口电路设计.12 3.3.1 USB100 模块的特点 .12 3.3.2 USB100 的引脚图及功能 .13 3.3.3 USB100 控制时序 .13 3.3.4 USB100 与单片机接口 .14 3.4 数据采集电路.15 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计.17 4.1 下位机软件设计.17 4.
7、1.1 LED 显示程序模块 .17 4.1.2 数据发送模块.17 4.1.3 数据接收模块.18 4.1.4 压力数据采集模块.19 4.1.5 数据处理模块.20 4.2 上位机软件设计.21 4.2.1 串行通信控件的应用.21 4.2.2 数据处理.23 4.2.3 数据库.24 结结 论论.27 参考文献参考文献.28 致致 谢谢.29 第一章第一章 绪论绪论 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
8、 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-2
9、32 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 i11) while(!ADIF); d=ADRESH
10、; e=ADRESL; sum+=d256+e; i+; ADIF=0; ADGO=1; if(sum2000)语句可以起到超过 2N 发出警示的作用。 4.2 上位机软件设计上位机软件设计 VB 全称 Visual Basic，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
11、。 然而使用微软的 Visual Basic 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。Visual Basic 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。 4.2.1 串行通信控件的应用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
12、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： With MSComm1 通讯初始化 InputMode = comInputModeBinary 设置接收数据模式为二进制形式 .InputLen = 10 设置 Input 一次从接收缓冲读取字节数为 10 .SThreshold = 5
13、 少于 5 字节时生成 oncomm 事件 .RThreshold =4 当接收缓冲区达到 20 个字节时引发接收事件 .InBufferCount = 0 清收发缓冲区 .OutBufferCount = 0 End With 3、PC 机接收数据程序流程图 PC 机接收数据程序流程图如图 4.5 所示。 图 4.5 PC 机接收数据程序流程图 4.2.2 数据处理数据处理 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
14、果。 PC 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。 4.2.3 数据库数据库 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,DB)10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
15、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： Sub ru_ku() Me.Data1.Recordset.AddNew 数据库记录开始 Text6.Text = j Text7.Text = Time Text5.Text
16、= Trim(Date) Me.Data1.Recordset.Update End Sub 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 4.6 所示： 图 4.6 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
17、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 4.7 所示。 与 MSFlexGrid 控件有关的程序说明如下： 数据表格属性设置： Me.MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 0) = 编号 Me.MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 1) = 压力值 Me.MSF
18、lexGrid1.TextMatrix(0, 2) = 日期 Me.MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 3) = 时间 Me.MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 4) = 检测次数 如何通过代码调节列宽度 MSFlexGrid1.ColWidth(i) = 1000 MSFlexGrid1.ColWidth(i + 1) = 1300 MSFlexGrid1.ColWidth(i + 2) = 1000 MSFlexGrid1.ColWidth(i + 3) = 1000 设置数据表格中的内容居中显示 MSFlexGrid1.ColAlignment(Index
19、) = 5 MSFlexGrid1.ColAlignment(Index + 1) = 5 MSFlexGrid1.ColAlignment(Index + 2) = 5 MSFlexGrid1.ColAlignment(Index + 3) = 5 MSFlexGrid1.ColAlignment(Index + 4) = 5 图 4.7 VB 人机界面 结结 论论 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
20、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
21、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。 参考文献参考文献 1洪永强. 微机原理与接口技术.北京M：科学出版社，2004.6 2萧世文. USB 2.0 硬件设计M.北京：清华大学出版社，2002.10 3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
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23、社，2002.7 13张念淮，江浩. USB 总线接口开发指南. 北京：国防工业出版社， 2001.3 14何立民. 单片机高级教程. 北京：北京航空航天大学出版社，2000 15Hi_TECH. PICC_ME. Manual. 2001 16Microchip Technology Inc.PIC16F877 Data Sheet.2003 17John Koon. The USB Revolution. 2005.3.25 致致 谢谢 在设计制作过程中，*老师倾注了大量的心血，他的悉心指导是本设计能 够圆满完成的基础；他严谨的治学态度、渊博的知识和丰富的研究经验，使我 受益菲浅；他无私的奉献精神和诲人不倦的育人态度，使我受益终身。在此， 向*老师致以由衷的敬意和诚挚的感谢！祝他们及家人身体健康、幸福美满！ 另外，在设计制作中也得到了电气工程学院和机电工程学院老师和同学们 的指导和帮助，在此，一并表示衷心的感谢！