USB通信技术在测控领域中的应用

摘要

工业上基于PC的测控系统，其结构通常有两种：一是采用插卡的形式，即将功能卡插入Pc机的扩展插槽，利用系统总线与PC实现通讯；二是外置嵌入式模块的形式，PC实现人机交互以及数据处理、存储、打印功能，嵌入式模块则实现实时数据采集，并通过通用接口与Pc进行数据传输。USB作为一种新型的PC机接口，由于其高传输速率、支持热插拔，使用方便，易于扩展等一系列优点，从而得到了广泛的应用。但USB作为串行技术接口，也有自身的缺点：传输距离短、抗电磁干扰能力较差。为此我们利用电火花成型磨削设备及电工绝缘材料耐电压击穿设备研制平台来进行实验，希望找到一种方法发挥USB接口的优点，克服传输距离短和抗干扰能力差的缺点，实现将USB技术应用在测控领域，尤其是强电磁干扰的环境。基于此，我们开展了这方面的研究工作： 1、完成主控制器C8051F020、USB接口芯片CH375和其它辅助电路的硬件电路设计； 2、完成USB控制模块的固件编写，实现USB的主/从机两种工作模式的动态切换，既能作为从设备与Pc机进行全速的数据通讯；又能作为主设备读写外部存储设备(U盘)，实现将采集到的数据以文件的形式保存到U盘； 3、实现了USB设备驱动程序和上位机应用程序的设计和开发； 4、进行了电火花电磁干扰模拟实验，提出了光纤+USB的抗干扰的方案，试探地解决USB用在工业测控领域抗强电磁干扰的难题。 5、编写相应的C51程序，对USB控制模块电路进行了调试，实现USB控制模块主要功能。 通过对USB数据传输进行电磁干扰模拟实验，从得到的实验数据可证实了在强电磁干扰环境下对USB传输进行抗干扰处理的必要性和USB+光纤转换传输抗干扰方案的可行性。通过一年多的研究工作，基本实现了USB技术在测控领域的应用，并试探地解决了将USB应用在强电磁环境下，并提出了有效的USB抗干扰方案。这将有力地促进USB技术在测控领域的应用。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1本选题有关的研究方向的历史、现状和发展情况分析

1.2系统实现方案

1.3本人主要工作

1.4论文的组织

第2章USB技术概述

2.1 USB技术的简介

2.2 USB体系结构概述

2.2.1 USB系统的描述

2.2.2 USB的主机

2.2.3 USB的设备

2.2.4 USB接口的电气特性

2.3 USB数据传输

2.3.1控制传输

2.3.2等时传输

2.3.3批量传输

2.3.4中断传输

2.4 USB2.0 OTG/USB Wireless版本

2.4.1 USB2.0 OTG版本

2.4.2 USB Wireless版本

2.5本章小结

第3章系统硬件电路设计

3.1本测控系统特点

3.2测控系统方案

3.2.1 USB接口芯片选择方案

3.2.2抗干扰方案

3.2.3ADC数据采集方案

3.3 C8051F020微控制器电路设计

3.3.1.C8051F020系统概述

3.3.2.MCU电路设计与控制寄存器配置

3.3.3主ADC控制电路

3.4 USB接口芯片电路设计

3.4.1 USB接口芯片CH375简介

3.4.2 USB总线接口电路设计

3.5其他辅助电路

3.5.1电源电路

3.5.2复位电路

3.5.3串行口电路

3.5.4状态灯电路

3.6本章小结

第4章USB固件程序设计

4.1 MCU初始化

4.1.1特殊功能寄存器(SFR)定义

4.1.2 MCU主要控制寄存器配置

4.1.3串口初始化配置

4.2 USB工作模式切换与初始化配置

4.2.1 USB工作模式切换

4.2.2 USB芯片CH375初始化

4.3设备模式(DEVICE)程序设计

4.3.1中断处理程序

4.3.2 USB初始化枚举过程

4.3.3数据传输与实现

4.3.4 USB通讯测试

4.4主机模式(HOST)程序设计

4.4.1 Flash存储器和FAT文件系统

4.4.2 U盘初始化与分析

4.4.3 FAT分析与文件读写

4.4.4文件尾部零碎数据处理

4.4.5读写U盘测试

4.6本章小结

第5章USB驱动程序设计

5.1 WDM概述

5.2 USB驱动程序体系结构

5.3主要模块设计

5.3.1初始化模块

5.3.2即插即用管理模块

5.3.3设备控制例程

5.3.4电源管理模块

5.4 DDK编译和INF文件

5.4.1 DDK编译过程

5.4.2 INF文件

5.5驱动程序调试

5.5.1 SoftICE驱动加载

5.5.2 SoftICE调试

5.5.3故障排除

5.6本章小结

第6章PC端应用程序设计

6.1计算机应用层连接

6.2动态链接库API例程

6.2.1设备管理类API

6.2.2数据传输类API

6.2.3中断处理类API

6.3系统测试软件设计

6.3.1测试原理

6.3.2测试过程

6.3.3测试结果

6.4 PC应用程序设计

6.4.1主机系统界面

6.4.2实时数据信息的提取和校验

6.4.3应用程序USB通讯的实现

6.5本章小结

第7章数据传输抗干扰模块

7.1系统干扰分析

7.1.1导体间的噪声干扰

7.1.2辐射性共模干扰

7.1.3光纤传输的抗干扰性

7.2抗干扰原理

7.3硬件电路设计

7.4抗干扰控制程序设计

7.4.1抗干扰模块控制程序

7.4.2控制模块控制程序

7.5电磁干扰模拟实验

7.6本章小结

第8章系统程序调试

8.1在Silicon IDE集成Keil工具

8.2 Keil uVision2与JTAG结合

8.3 Silicon集成开发环境故障排除

8.4本章小结

第9章总结与展望

致谢

参考文献

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