1、中文摘要I本科毕业论文（20 届）基于 C8051F320 的 USB 数据采集系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 中文摘要II中 文 摘 要随 着 信 息 技 术 与 电 子 技 术 的 迅 速 发 展 ， 计 算 机 和 外 围 设 备 也 得 到 讯 速发 展 和 应 用 ， 在 科学研究 领 域 和 许 多 生 产 场 合 中 常 用 到 数 据 采 集 技 术 ， 并 且对 数 据 采 集 的 要 求 越 来 越 高 。 以 前 的 通 信 方 式 由 于 传 送 速 率 慢 、 抗 扰 能 弱 、安 装 复 杂 麻 烦 等 原 因
2、， 严 重 阻 碍 了 数 据 采 集 技 术 的 发 展 ， 而 通 用 串 行 总 线USB 具 有 传 输 线 少 、 速 率 快 、 支 持 热 插 拔 和 易 于 扩 展 等 优 点 ， 很 好 得 解 决了 上 述 产 生 的 问 题 ,因 而 串 行 总 线 技 术 在 计 算 机 系 统 及 通 信 设 备 中 迅 速 得 到广 泛 的 使 用 。本 设 计 以 USB 作 为 总 线 的 采 集 系 统 为 主 要 研 究 内 容 ， 利 用 C8051F320等 芯 片 组 成 的 一 套 数 据 采 集 系 统 的 设 计 方 案 、 开 发 方 法 和 开 发 过 程
3、， 并 给 出了 具 体 实 现 方 案 。 文 中 首 先 介 绍 了 设 计 中 所 用 的 C8051F320 芯 片 的 性 能 和特 点 ， 然 后 给 出 了 具 体 硬 件 设 计 方 案 ， 并 重 点 介 绍 了 设 计 中 应 该 注 意 的 问 题 。整 个 系 统 包 括 硬 件 设 计 和 软 件 设 计 两 部 分 ， 实 现 数 据 高 速 转 换 和 采 集 、 数 据显 示 、 数 据 保 存 等 功 能 。系 统 硬 件 部 分 实 现 数 据 采 集 功 能 ， 并 将 采 集 的 数 据 送 至 USB 控 制 器 ，再 通 过 USB 接 口 将 数
4、据 传 送 给 PC 机 。 硬 件 设 计 部 分 主 要 包 括 主 控 制 器C8051F320 外 围 电 路 设 计 与 数 据 采 集 电 路 选 择 、 键 输 入 显 示 电 路 设 计 等 。硬 件 设 计 中 每 个 单 元 部 分 之 间 的 连 接 主 要 以 芯 片 的 工 作 模 式 和 系 统 要 实 现的 功 能 来 决 定 。系 统 软 件 包 括 USB 固 件 程 序 设 计 、 驱 动 程 序 设 计 以 及 用 户 界 面 程 序 。USB 固 件 程 序 在 keil c 中 实 现 ， 实 现 C8051F320 的 初 始 化 ;驱 动 程 序
5、为 用 户提 供 了 软 件 和 硬 件 平 台 连 接 的 通 道 ;用 户 界 面 程 序 采 用 VB 语 言 完 成 ， 调 用了 驱 动 函 数 句 柄 来 对 硬 件 进 行 操 作 ， 完 成 数 据 的 接 收 、 保 存 、 以 及 显 示 功能 。关键词：C8051F320，USB，数据采集技术英文摘要IIIAbstractWith the development of information technology and the rapid development of electronic technology, the computer and peripheral
6、equipment also gets rapid development and application in the field of scientific research, production and many occasions are commonly used in the data acquisition technique, and the data acquisition of the various requirements are also getting higher and higher. The traditional means of communicatio
7、n as the transmission speed is slow, weak anti-jamming ability, troublesome installation and other reasons, has seriously hindered the development of the data acquisition equipment, a new generation of universal serial bus USB transmission line having small, fast, supports hot plug and easy to exten
8、d the advantages, is a very good solution to the above problems, so the serial bus technology in the computer system and the communications equipment quickly and has been widely used.This design is based on the USB bus data acquisition system as the main research content, using a C8051F320chip consi
9、sting of a set of data acquisition system design, development method and development process, and gives the concrete realization plan. This paper first introduced the design used in the C8051F320chip performance and characteristics, and then presents the concrete hardware design scheme, and introduc
10、es the design should pay attention to the problem. The whole system includes hardware design and software design in two parts, to realize high speed data conversion and acquisition, data display, data storage and other functions.The system hardware to realize the data acquisition function, and the d
11、ata will be collected and sent to the USB controller, through the USB interface transmits the data to the PC machine. The hardware design mainly includes the main controller C8051F320 peripheral circuit design and data acquisition circuit selection, key input display circuit design. The hardware des
12、ign of each 英文摘要IVunit section is connected between the main chip working mode and system to achieve the function to decide. Each unit are given a unit circuit characteristics and use.System software includes USB firmware, device driver and user interface program. USB firmware program in keil C, C80
13、51F320initialization; device driver for the user interface program provides software and hardware platform to connect the channels; the user interface program used VB language, in VB called driving function in the handle to the hardware equipment operation, realize the data receiving, storage, and d
14、isplay function.Finally, through the testing of the system, in the design of the data acquisition interface shows the random input signal waveform. Proved by practice, the system design has been initially successful, can achieve USB data acquisition function.Key Word：C8051F320、USB、The data acquisiti
15、on technique目 录V目 录摘 要 .IABSTRACT . 目 录 . 第一章 绪 论 . 11.1 课题的背景和意义 . 11.2 数据采集系统发展史 . 11.3 数据采集技术发展方向 . 21.4 设计方案的可行性分析与预期目标 . 3第二章 数据采集系统的整体设计 . 42.1 硬件系统构成 . 42.2 软件系统构成 . 5第三章 硬件设计模块 . 63.1 数字温湿度传感器介绍 . 63.1.1 接 口 说 明 . 73.1.2 发 送 命 令 . 73.1.3 测 量 时 序 . 83.1.4 通 讯 复 位 时 序 . 93.1.5 数 据 物 理 量 转 化 .
16、93.1.6 温 湿 度 传 感 器 框 图 . 103.1.7 数 据 采 集 流 程 图 . 113.2 数据采集系统的主控芯片 . 123.3 单片机与主机连接设备 USB . 143.3.1 USB 特 点 . 143.3.2 USB 与 IEEE 1394 比 较 . 153.3.3 USB 传 输 类 型 . 153.4 单片机键盘显示接口模块 . 163.4.1 键 输 入 设 定 . 17目 录VI3.4.2 显 示 器 电 路 设 定 . 193.5 单片机辅助电路 . 213.5.1 时 钟 电 路 . 213.5.1 复 位 电 路 . 21第四章 软件系统设计 . 22
17、4.1 主程序设计 . 224.2 固件程序设计 . 234.3 驱动程序设计 . 264.4 用户界面程序设计 . 29结论 .31参考文献 . 32致谢 . 33第一章 绪 论1第一章 绪 论1.1 课 题 的 背 景 和 意 义数 据 采 集 系 统 是 将 现 场 采 集 的 数 据 进 行 处 理 、 传 输 、 显 示 、 存 储 等 操 作 ，基于计 算 机 测 量 的 软 硬 件 产 品 实 现 灵 活 的 、 用 户 自 定 义 的 测 量 系 统 ， 它 主 要完 成 数 据 的 采 集 、 模 数 转 换 、 压 缩 处 理 ， 然 后 通 过 PC 接 口 总 线 将
18、处 理 后的 数 据 送 入 计 算 机 作 进 一 步 处 理 。 计 算 机 技 术 的 迅 速 发 展 ， 以 数 据 采 集 系 统为 核 心 的 设 备 也 在 国 内 外 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 现 代 工 业 生 产 和 科 学 研 究 对 数据 采 集 的 要 求 越 来 越 高 .。 目 前 ， 最 多 采 用 的 采 集 方 式 是 数 据 采 集 板 卡 ， 采用 板 卡 安 装 复 杂 麻 烦 ， 价 格 昂 贵 ， 易 受 机 箱 环 境 干 扰 ， 通 讯 过 程 极 易 发 生 错误 ， 并 且 受 计 算 机 插 槽 数 量 、 中 断 资 源 限
19、制 ， 不 可 能 连 接 较 多 设 备 ， 在 电 磁干 扰 强 的 场 所 ， 可 能 无 法 专门进 行 电 磁 屏 蔽 ， 导 致 采 集 的 数 据 错 误 ， 因 此 需采 取 新 的 技 术 进 行 解 决 。而 USB 的 出 现 ， 方 便 地 解 决 了 以 上 这 些 问 题 。 它 是 一 种 连 接 外 围 设 备的 总 线 ， 最 多 可 连 127 个 设 备 ， 为 计 算 机 扩 充 以 及 配 置 外 部 设 备 提 供 了 方 便 ，解 决 了 I/O 插 口 不 够 的 问 题 ， 建 立 了 一 条 连 接 访 问 外 部 设 备 的 方 法 ， 这
20、 些 方法 有 效 得 减 少 了 总 体 成 本 ， 减 少 硬 件 间 的 冲 突 。 因 此 ， 我 们 用 USB 总 线 接口 可 容 易 得 实 现 低 成 本 、 高 可 靠 性 的 数 据 采 集 系 统 。 尽 管 目 前 USB 接 口 的应 用 主 要 集 中 在 电 脑 的 周 边 外 设 ， 但 是 USB 产 品 进 入 工 控 领 域 将 是 必 然 的趋 势 ， 所 以 本 课 题 的 研 究 是 具 有 一 定 现 实 意 义 和 经 济 意 义 的 。1.2 数 据 采 集 系 统 发 展 史数 据 采 集 系 统 出 现 于 20 世 纪 50 年 代 ，
21、 1956 年 美 国 首 先 研 发 了 军 用 的数 据 采 集 测 试 系 统 ， 目 标 是 在 测 试 中 不 依 靠 相 关 的 测 试 文 件 ， 让 非 熟 练 人 员操 作 ， 测 试 任 务 让 测 试 设 备 高 速 自 动 实 现 。 由 于 该 采 集 测 试 系 统 具 有 高 速 灵活 性 ， 满 足 传 统 方 法 不 能 完 成 的 数 据 采 集 和 测 试 任 务 。 20 世 纪 60 年 代 ，国 外 便 有 成 套 采 集 测 试 设 备 进 入 市 场 ， 此 阶 段 的 采 集 设 备 大 多 属 于 专 用 系 统 。第一章 绪 论220 世
22、界 70 年 代 ， 随 着 计 算 机 的 普 及 ， 采 集 系 统 发 展 迅 猛 ， 开 始 产 生 了通 用 数 据 采 集 和 自 动 测 试 系 统 。 此 阶 段 的 系 统 有 两 大 类 ： 一 类 是 由 仪 表 与 采集 器 和 通 用 接 口 总 线 以 及 计 算 机 。 另 一 类 是 由 数 据 采 集 卡 和 标 准 总 线 以 及 与计 算 机 构 成 ， STD 总 线 系 统 是 这 类 数 据 采 集 系 统 的 典 型 代 表 。 这 种 接 口 系 统采 用 积 木 式 结 构 ， 把 相 应 接 口 卡 装 在 专 用 机 箱 内 ， 由 一 台
23、 计 算 机 控 制 。 主 要应 用 于 工 业 现 场 。20 世 纪 90 年 代 至 今 ， 在 发 达 国 家 ， 采 集 技 术 已 在 军 事 、 航 空 电 子 设 备领 域 得 到 广 泛 应 用 。 加 上 集 成 制 造 技 术 不 断 进 步 ， 产 生 了 高 效 能 、 高 稳 定 性的 采 集 系 统 ， 已 经 成 为 一 种 专 门 技 术 ， 采 用 先 进 的 模 块 结 构 ， 根 据 不 同 要 求 ，通 过 简 单 得 更 改 模 块 ， 以 及 系 统 编 程 ， 便 可 扩 展 成 新 系 统 。并 行 总 线 采 集 系 统 向 高 速 模 块
24、 化 和 即 插 即 用 的 方 向 发 展 ， 串 行 总 线 采 集系 统 朝 着 分 布 式 结 构 和 智 能 方 向 发 展 。1.3 数 据 采 集 技 术 发 展 方 向 数 据 采 集 片 上 系 统片 加 工 技 术 迅 猛 发 展 ， 产 生 了 集 数 据 采 集 、 处 理 、 运 行 、 分 析 等 为 一 身的 数 据 采 集 芯 片 。 例 如 数 据 采 集 芯 片 ADuC812 是 美 国 Analog Devices 公司 生 产 的 一 款 性 能 优 越 的 微 转 换 器 产 品 ， 片 内 继 承 了 一 个 完 全 可 编 程 的 、 自校 准
25、、 高 精 度 的 模 拟 数 据 采 集 系 统 。 采 用 新 型 数 据 处 理 方 法技 术 如 数 据 融 合 技 术 、 模 糊 信 息 处 理 技 术 和 神 经 网 络 技 术 等 ， 在 数 据 采集 和 现 代 测 试 系 统 中 得 到 了 广 泛 应 用 。 采 用 高 智 能 化 软 件迅 猛 发 展 的 今 天 ， 系 统 的 硬 件 越 来 越 简 单 ， 软 件 越 来 越 复 杂 ； 集 成 电 路硬 件 成 本 逐 年 下 降 ， 软 件 成 本 大 幅 上 升 。 信 号 分 析 与 处 理 要 求 取 的 特 征 值 ，若 用 硬 件 电 路 获 取 ，
26、 电 路 时 极 为 复 杂 的 。 因 此 不 可 能 用 一 般 硬 件 电 路 获 取 ，用 软 件 编 程 会 比 较 容 易 实 现 此 功 能 。第一章 绪 论3 网 络 化以 Internet 为 代 表 的 网 络 技 术 和 其 他 高 新 科 技 结 合 ， 为 测 量 和 仪 器 技术 带 来 了 极 大 发 展 空 间 ， 出 现 了 网 络 化 测 量 技 术 和 具 备 网 络 功 能 的 新 型 仪 器 。基 于 网 络 的 数 据 采 集 系 统 ， 不 仅 可 以 进 行 远 距 离 操 作 和 控 制 ， 还 可 把 数 据 采集 结 果 通 过 网 络 显
27、 示 在 世 界 各 地 的 WEB 浏 览 器 中 ， 实 现 了 数 据 采 集 和 测 试系 统 的 资 源 和 数 据 共 享 。1.4 设 计 方 案 的 可 行 性 分 析 和 预 期 目 标可 行 性 分 析 ： 本 次 设 计 要 求 掌 握 利 用 温 度 ， 湿 度 传 感 器 对 温 湿 度 进 行 实时 测 量 。 设 计 PCB 板 ， 能 够 对 所 需 要 测 量 的 参 数 进 行 A/D 转 换 或 者 频 率转 换 ， 将 所 测 得 的 内 容 通 过 LED 数 码 管 进 行 显 示 ， 并 通 过 USB 端 口 ， 将所 测 得 的 数 据 传 输
28、 到 上 位 机 ， 并 对 所 测 的 数 值 与 设 定 的 门 限 值 进 行 比 较 ， 如果 异 常 ， 则 进 行 报 警 ， 并 采 取 相 应 的 解 决 措 施 。目的：1 掌 握 C8051F320 等 系 列 芯 片 的 使 用 方 法 。2 掌 握 温度， 湿 度 传 感 器 等 测 量 芯 片 的 工 作 原 理 。3 掌 握 通 过 串 行 口 、 USB 接 口 的 基 本 原 理 。4. 掌 握 数 据 采 集 系 统 的 基 本 设 计 方 法 。5 掌 握 输 出 电 路 的 设 计 方 法 。6 掌 握 用 PROTEL 绘 制 原 理 图 、 线 路 板
29、 图 的 方 法 。7 利 用 汇 编 语 言 或 者 C51 编 制 程 序 。8 掌 握 利 用 VB 或 者 VC 编 程 的 方 法 。第二章 数据采集系统的整体设计4第二章 数据采集系统的整体设计对 于 单 片 机 的 实 时 控 制 应 用 系 统 ， 被 测 对 象 的 有 关 参 数 往 往 是 一 些 连 续变 化 的 模拟量 ， 这 里 进 行 的 是 温 度 和 湿 度 采 集 。 这 些 模 拟 量 必 须 转 换 成 数 字量 后 ， 才 能 输 入 到 单 片 机 中 进 行 处 理 。 本 设 计 要 要 求 通过键 盘 置 数 、 显 示等 。该 系 统 包 含
30、 两 部 分 :硬 件 设 计 和 软 件 编 程 。 硬 件 上 实 现 数 据 采 集 功 能 ，将 数 据 送 达 USB 控 制 器 ， USB 接 口 将 数 据 送 给 PC 机 ;软 件 包 括 USB 固件 程 序 、 驱 动 程 序 以 及 用 户 界 面 程 序 。 设 计 思 路 为 :用 户 使 用 应 用 软 件 下 载USB 固 件 代 码 ， 再 向 采 集 系 统 发 读 写 命 令 并 对 数 模 转 换 器 进 行 数 据 设 置 ;采 集 系 统 接 收 命 令 后 ， 开 始 对 采 集 信 号 进 行 模 数 变 换 ， 再 将 数 据 由 USB传
31、输 至 PC 机 ， 用 户 程 序 实 现 数 据 的 接 收 、 存 储 和 显 示 。 下 面 简 述 该 数 据 采集 系 统 硬 件 系 统 和 软 件 系 统 的 构 成 。2.1 硬 件 系 统 构 成本 系 统 为 一 路 数 据 实 时 采 集 系 统 ， 选 用 cygnal 公 司 内 置 USB 接 口 的高 性 能 微 控 制 器 芯 片 C8051F320。 因 为 C805IF320 是 带 USB 接 口 (符 合USB2 0 协 议 )的 单 片 机 ， 所 以 整 个 硬 件 部 分 是 一 般 单 片 机 应 用 系 统 的 开 发 ，仅 需 要 外 加
32、输 入 信 号 处 理 电 路 就 可 实 现 。 由 于 C8051F320 片 内 有 16KB 的flash 存 储 器 ， 所 以 系 统 不 需 要 用 外 部 扩 展 程 序 存 储 器 。 系 统 选 用 的 数 据 采 集器 是 数 字 式 温 湿 度 传 感 器 ， 输 出 量 为 数 字 量 ， 可 直 接 传 送 给 单 片 机 ， 无 需 要选 用 A/D 转 换 器 。 系 统 选 用 经 8255A 与 键 盘 /显 示 器 接 口 来 管 理 6 位 LED显 示 器 及 2*8 键 盘 输 入 。 采 用 USB 接 口 完 成 单 片 机 与 上 位 机 的 连 接 。图 2-1 硬件系统构成
