基于USB接口的温度传感器设计方案

1 基于 口的温度传感器设计方案 第 1 章 绪论 设计理念与背景 基于 是利用 口实现单片机技术的温度传感器与 提高温度采集的准确度于精度。实现低成本、高可靠性、告诉的温度数据采集和传输。 在工业生产、科研及医疗等需要严格进行温度控制的行业中，常常利用 就需要一种精度和自动化水平高、应用范围广的温度采集手段，这就为基于单片机技术的温度采集系统得到了普遍应用。这种温度采集系统可以根据主机命令通过传感器采集温 度信号，并通过放大转换后经通讯接口上传至主机，以进一步的显示、分析和处理。 温度采集系统由温度采集模块和主机系统组成，之间通过总线接口进行通信。温度采集模块是以单片机及温度传感器为核心构成的智能系统，具有完整的 信号采集、放大、 A/换数据格式标准及执行上位机命令等功能。主机系统用来实现对温度采集模块的控制，进行温度数据的读取，同时提供人机交互界面，实现对温度数据的显示、分析和处理等功能。而要实现主机系统的功能，则需要通过总线接口将对温度采集模块所采集到的温度数据发送到主机系统来完成。 随着现 代工业生产和科学研究对温度数据采集的要求日益提高，传输速度、纠错能力和操作安装的简易性是人们在使用温度采集系统的过程中关注的目标，而数据通信技术则成为其中的关键技术。任何一种数据通讯技术都离不开接口，温度采集系统采用何种接口进行通信是影响系统整体效率的重要因素之一。 2 目前常用的总线接口 （ 1） 司为 种总线技术允许快速的内存，磁盘和视频访问。 般只能有两到三个 （通常用于图形和硬盘控制器）。最大传输速度为264能在基于 4位软件才能达到）。 用串行总线），是一种新规格的快速、灵活的总线，是 传统的个人电脑领域中，外围设备存在着许多问题，不管是 I/O 地址冲突十分常见，都不能可靠地支持共享式中断。同时，这些大多数都是不可以随意插拔的，必须在开机前装好才能正常使用。事实上，这种接口使设备的连接毫无灵活性可 言。 （ 1）速度快。 全速和低速两种方式，主模式为全速模式，速率为 12提供低速方式，速率为 推出的 议提供最高达 480数据传输速率，可以适应各种不同类型的外设。 （ 2）支持热插拔和即插即用。所有的 自动给接入的设备分配地址和配置参数，添加、删除设备完全不用关闭计算机，不必像过去那样需要手动跳线和拨码开关来设置 新的外设。 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 3 页 （ 3）易于扩展。如图 1所示。 过使用 成器 )扩展可连接多达 127个外设。标准 米（低速为 5米）。通过 0米，可以使用多种连接方式进行扩展。 图 （ 4）使用灵活。 有 4种传输模式：控制传输（ 同步传输（ 中断传输（ 批量 传输 (适应不同设备的需要。在本系统中采用了控制传输和批量传输两种方式。 （ 5）能够采用总线供电。普通使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而为 500而降低了这些设备的成本并提高了性价比。 （ 6）实现成本低。 合于开发低成本的外设。 国内外发展现状 复合设备 主机 根 备 设备 备 设备 设备 设备 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 4 页 传统上，数据的采集系统与独立的机箱设备通过串口或 口与计算机连接组成。随着基于计算机的测量技 术的出现，数据采集设备可以通过 接到 数据总线。在 出之前，支持 因除了因为传统的通信接口，如 ，一时难以退出应用领域外， 一些早期 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 5 页 随着 善， 使其可提供对 强有力的支持，对 术的发展起到重要推进作用。自此，市场上涌现出大批的 1999 年初，在 发者论坛大会 上，与会者介绍了 规范的支持者除原有的成员外，又增加 个新成员。 规定的性能有所扩展，又向下兼容，数据的传输率将达到 480在，越来越多的测量系统包含有通过 2004 年 5 月， 司发起了一波 “ 传感器即插即用 ”( 动，在针对灵巧的 感器电子数据表 ) 传感器的 准的基础上推出了一系列数据采集产品。通过采用传感器即插即用技术和新的 工程师和科学家们可以创建一个从传感器到软件的完整的即插即用数据采集系统。现在有许多厂商提供经过预先测试可以无缝地与传感器即插即用硬件共同工作的传感器，开发人员可以使用 迅速、方便地进行测量。 随着 据采集设备继续减小体积和降低功耗， 它们也变得更加便携和经济。通过兼容传感器即插即用特性和多种扩展技术， 司 据采集设备的功能更超越了它们自己本身。 2006 年 司一份关于数据采集发展趋势的研究表明，几乎半数受访者计划购买一件 着 无线 未来 课题的目标及意义 基于 口的温度采集系统，不仅仅是将 口用来传输数据，它需要依据 底层硬件设备与操作系统之间需要以驱动程序为桥梁；驱动程序要实现与 统底层核心机制相交互的功能。因此，研究 口技术的内核原理，掌握系统设备端 口设计和固件编程方法，及主机端设备驱动程序和应用程序的开发技术就成其关键。 本课题以研究基于 在深入分析研究 议和设备构架的基础上，对基于 口的温度采集系统进行硬件设 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 6 页 计和软件编程。使温度采集模块采集来的数据通过 接口传送到主机系统，使客户应用程序通过驱动程序得到数据，并根据需要对数据进行处理。意义在于深入研究 握温度采集系统的硬件设计、固件程序、驱动程序及应用程序的开发等关键技术，积累设备开发经验，为今后温度采集系统更好地应用奠定基础。 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 7 页 第 2 章 硬件设计 基于 口的温度传感器的工作原理 工作原理图 图 基于 工作原理 首先由 过单片机，经单片机驱动程序将温度信号送入 片及外围设备，再由 在 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 8 页 系统总体框架由 4 部分构成：温度采集器、 位机驱动程序和上位机应用程序。温度采集器是一个智能单片机系统，它负责采集温度数据，并把从上位机发送的数据传输命令从 把数据值打包后通过 口发送到上位机等； 口负责把数据转换成 议要求的格式来传输；驱动程序负责在上位机应用程序和温度采集器专用代码之间的转换，把应用程序的数据通过把温度采集器传来的数据发送给应用程序；应用程序负责把用户的操作命令通知给驱动程序，并把温度采集器送 来的温度数据通过驱动程序的转换显示给用户。我将在下面几节中介绍各硬件部分的功能。 温度采集部分 单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 字温度传感器的外形及引脚说明 引脚排列见图 3，其引脚功能描述见表 1。 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 9 页 图 脚排列 脚 脚 3是其采用 3脚 脚 中 地； 输出端；其余为空脚。 序号 名称 引脚功能描述 1 2 3 输出引脚 信号 开漏单总线接口引脚。当被用在寄生电源下， 也可以向器件提供电源。 可选择的 脚。当工作于寄生电源时此引脚必须接地。 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 10 页 性能及特点 由 属于新一代适配微处理器的智能温度传感器 ,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量 及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点，而且兼具如下几个性能： 适应电压范围 ，在寄生电源方式下可由数据线供电。 独特的单线接口方式， 需要一根口线即可实现微处理器与 个 以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 中，不需要任何外围元件，全部传感原件及转换电路集成在形如一只晶体管的集成电路内。 测温范围： 125 ，在 +85 时精度为 。 可编程的分辨率为 9 12位，对应的可分辨温度分别为 和 ，可实现高精度测温。 在 9位分辨率时，最多在 12位分辨率时，最多在 750度更快。 测量结果直接输出数字温度信号，以 “ 一线总线 ” 串行传送给 时可传送 有极强的抗干扰纠错 能力。 负压特性，电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作 作过程及时序 数器 1提供一频率稳定的计数脉冲。 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 11 页 高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器 2 提供一个频率随温度变化的计数脉冲。 初始时，温度寄存器被预置成 ，每当计数器 1从预置数开始减计数到 0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加 1 ，这个过程重复进行，直到计数器 2计数到 0时便停止。 初始时，计数器 1预置的是与 相对应的一个预置值。以后计数器 1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供 。为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器 1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加 1 计数器所需要的计数个数。 计数器 2停止计数后，比较器将计数器 1中的计数剩余值转换为温度值后与 进行比较，若低于 ，温度寄存器的最低位就置 0；若高于 ，最低位就置 1；若高于 时，温度寄存器的最低位就进位然后置 0。这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了 ，其最后位代表 ，四舍五入最大量化误差为 1/2即 。 温度寄存器中的温度值以 9位数据格式表示，最高位为符号位，其余 8位以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这 9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节， 8位温度数据占据第二字节。 1 初始化 单总线上的所有处理均从初始化序列开始。初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。存在脉冲让总线控制器知道 总线上且已准备好操作。 2 一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便 可以发出器件 有位长。这些命令列表如下： 33h 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 12 页 此命令允许总线主机读 位产品系列编码，唯一的 48位序列号，以及8位的 命令只能在总线上仅有一个 情况下可以使用。如果总线上存在多于一个的从属器件，那么当所有从片企图同时发送时将发生数据冲突的现象（漏极开路会产生线与的结果）。 3存储器操作命令 暂存存储器） 4这个命令向 暂存器中写入 数据，开始位置在地址 2。接下来写入的两个字节将被存到暂存器中的地址位置 2和 3。可以在任何时刻发出复位命令来中止写入。 暂存存储器） 这个命令读取暂存器的内容。读取将从字节 0 开始，一直进行下去，直到第 9（字节 8， 节读完。如果不想读完所有字节，控制器可以在任何时间发出复位命令来中止读取。 4处理数据 高速暂存存储器 ( 9个字节组成，包含了 8个连续字节，前两个字节是测得的是温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第 四个字节是温度高限 度低限 存区，第五个字节是配置寄存器暂存区，第 6、 7、 8字节是系统保留所用，就相当于 九个字节是冗余检验字节。其分配如表 2所示。 寄存器内容 字节地址 温度值低位 (温度值高位 (高温限值 (低温限值 (0 1 2 3 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 13 页 配置寄存器 保留 保留 保留 验值 4 5 6 7 8 口芯片部分 要实现 备与计算机接口，通常的做法有两种：一是使用 口芯片通过微处 理器，或是使用带微处理器的 是将 进 目前，市场上供应的 控制器主要有两种：一种是带 列；另一种就是纯粹的 处理 信，如 9604等。选择带 发工具简单，缺点是灵活 性不够高，开发工具与原来的单片机开发工具不兼容，开发成本较大。对于简单或低成本系统，其价格也是在实际选择过程中需要考虑的因素。 纯粹的 口芯片仅处理 信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。典型产品有 司的 行接口） 、 , 司的 9604（并行接口） , 种 口方便、可靠性高，系统组成灵活，可根据不同的 系统需求，搭配不同的 有较高的性能价格比。尤其适合于产品 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 14 页 的改型设计（硬件上仅需对并行总线和中断进行改动， 软件则需要增加微处理器的的 口通信程序，无需对原有产品系统结构作很大的改动） 。但因为 制器是通过串行口或并行口与 接，在传输速度方面不如集成了 控制芯片。 片简单介 是一款性价比很高的 通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高 速通用并行接口。它还支持本地的 这种实现 种灵活性减小了开发时间、风险以及费用（通过使用已有的结构和减少固件上的投资），从而用最快捷的方法实现最经济的 的规范。它还符合大多数器件的分类规格：成像类、海量存储器件、通信器件、打印设备以及人机接口设备。同样地， 想地适用于许多外设，例如：打印机、扫描仪、外部的存储设备（ 数码相机等等。它使得当前使用 出可以满足使用 的操作功耗可以应用于使用总线供电的外设。 引脚分布及其功能 1 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 15 页 图 脚分布图 2 表 4 脚功能 管脚 符号 类型 功能描述 1 双向数据位 0 2 双向数据位 1 3 双向数据位 2 4 双向数据位 3 5 P 地 6 双向数据位 4 7 双向数据位 5 8 双向数据位 6 9 双向数据位 7 10 I 地址锁存功能。在多路地址 /数据总线中，下降沿关闭地 址信息 锁存。将其固定为低电平用于单地址 /数据总线配置。 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 16 页 11 I 片选（低有效） 12 I, 器件处于挂起状态 13 可编程时钟输出 14 中断（低有效） 15 I 读选通（低有效） 16 I 写选通（低有效） 17 18 I 有效） 19 I 有效），仅当脚 18和脚 15或脚 16一起激活时才有效。 20 I 复位（低有效且不同步）片内上电复位电路，可固定接 1 有效） 22 I 晶振连接端 1（ 6 23 O 晶振连接端 2（ 6如果采用外部时钟信号取代晶振，可连接 24 P 电源电压（ ,要使器 件都工作在 提供 25 A - 数据线 26 D+ A + 数据线 27 P 28 I 地址位。 选择命令指令， 选择数据。该位在多路地址 /数据总线配置 时可忽略，应将其接高电平。 注： 2 4动开漏输出 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 17 页 8 4出 围电路及其与 间的连线图 1 图 围电路 2 连线图 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 18 页 图 连线图 本设计中 装。 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 19 页 第 3 章 上位机软件编程 在设备硬件和单片机固件调试通过之后，主机就能够正确识别设备了，但主机与 主机软件开发在本系统中是设计的难点。 机操作系统上的客户驱动程序以及主机应用程序。设备驱动程序是提供连接到计算机的硬件的软件接口，它是操作系统的一个信任部分，通过在应用层和固件专用代码之间的转换来完成它的任务。用户应用程序一般通过使用 一套操作系统支持的函数的方式访问硬件，而不必考虑如何控制硬 完整的上位机程序代码见附录 1。以下将介绍各部分程序的实现： 用 005 实现温度数据的显示 用 005 创建温度显示窗体 005是一个程序开发平台，先在电脑中新建一个文件夹，命名为 “ 温度显示 ” ，在打开 005，选择创建项目，选择的项目类型为 名称改为 “并将其 存放在之前建立的文件夹内，方便查找。然后进入界面设计，即设计温度显示窗体 界面的左侧 “ 工具箱 ” 中选择所需控件单击就可将其放在键单击窗体中的控件可对其属性进行更改。在本设计中使用的控件有 3个 两个 属性设置如下表所示： 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 20 页 表 5 各控件属性表 控件 温度： 宋体 初号 192,56 0 宋体 初号 192,56 宋体 初号 192,56 开始 宋体 9 75,23 停止 宋体 9 75,23 在窗体设计界面中双击个控件可对其进行编 程，从而实现对温度采集的控制及显示。窗体设计程序代码见附录 A。 软件编程思路 本设计主要是应用 005 这个程序开发平台编辑程序实现对下位机采集到的温度进行显示。如图 7所示的温度显示窗体，本设计所要实现的就是在此程序运行过程中，单击窗体的 “ 开始 ” 按钮，开始采集并在 单击 “ 停止 ” 按钮后，温度值又归零。因为在整个程序运行过程中只要求用 “ 开始 ” 和 “ 停止 ” 按钮来控制 件所显示的温度值，所以我们只需对这三个控件进行编程以实现本设计 所要完成的任务。 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 21 页 驱动程序 设备驱动程序是一个包含了许多操作系统可调用例程的软件容器，是保证用户应用程序软件访问设备硬件的程序软件，它的任务是在应用层和硬件控制代码之间进行转换操作。在 ，驱动程序就是一个文件（ *. ，它可以打开设备的一个句柄，然后应用程序可以在设备句柄最后关闭之前向驱动程序发出读写请求。微软极力推崇 为驱动程序的开发模型，而且在 其以后的系统中，不再支持其它类型的驱动程序。因此本 温度采集系统的驱动程序部分采用 型开发。 动程序 动程序是 000 操作系统重要的组成部分，它的正常工作需要有 000 其它内核组件的支持，同时大部分的内核组件也必须同 动程序交互来完成它们的功能。由于 动程序的标准应用平台是 是内核的重要组件之一并与其它内核组件有相当多的关联。 驱动程序开发工具 目前，市场上存在多种开发 备驱动程序的工具。常用的有 供的 司的 司的 。其中： （ 1） 最基本的，也是最原始的驱动开发工具。对应不同的操作系统有 种，分别用来开发 的驱动程序。 使用 开发出的驱动程序的代码效率高，与操作系统结合好 43。但是用 发，要对整个体系结构有很好的理解和把握，要求开发者阅读大量的 档，深入了解操作系统的内核工作方式，而且开发过程大部分场合都直接使用汇编语言编程，一般来说难度太大，因此它只适于专业的驱动程序开发人员，对于一般硬件 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 22 页 开发人员将要很长的周期。 （ 2） 一套用来简化微软 的 来开发 备驱动程序。它还包含有一个功能强大内核模式调试器 这类工具一般以源代码和库函数调用的形式提供给开发者许多现成的设备底层驱动支持，开发者只需要调用工具中的预定义 类和底层驱动接口就可以方便地生成符合用户要求的完整驱动程序。使用这类工具大大减小开发者的工作量和难度，缩短了开发周期，但驱动程序不如使用 活，而且由于封装的问题，可能会带来一些 可能导致项目的失败。 （ 3） 开发驱动的角度讲，几乎没有难度。但是只能开发硬件相关的驱动，事实上我们只是定制和调用它提供的通用程序而己，工作效率不是很高。但开发花费的时间很少，是上面的几乃至几十分之一。 为了对 层机制有更好的了解，同时也为了使温度采集系统的驱动程序有更高 的效率，我们选择了采用 驱动程序的功能模块 一个 动程序的功能模块大体上可以分为以下几个组成部分 （ 1）初始化。 （ 2）创建和删除设备。 （ 3）处理 序打开和关闭文件句柄的要求。 （ 4）处理 输入 /输出（ I/O）请求。 （ 5）实现对设备的串行化访问。 （ 6）访问硬件。 （ 7）取消 I/ （ 8）超时 I/ （ 9）调用其它驱动程序。 （ 10）处理电源管理请求。 （ 11） 处理 理诊断（ 系统管理员报告。 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 23 页 （ 12）处理一个可热插拔的设备被加入或删除的情况。 动程序有两个主要的初始化入口点： 程。册其它回调例程的。在运行过程中，内核会调用不同的回调例程来完成不同的任务。 下面将着重介绍几个基本的组成部分。 驱动程序的实现 驱动程序入口点和回调程序 动程序有一个主要的初始化入口点，即一个必须称为 例程。它有 一个标准的函数原型。当 动程序被装入时，内核调用 程。 驱动程序的 程必须设置一系列的回调例程来处理 。每一个回调例程都有一个标准的函数原型。内核会在合适的环境下调用这个例程。 程序代码见附录 C。 即插即用的实现 即插即用（ 动程序所支持的一种新的特性。 是由于即插即用的性能，才使他使用起来异常方便。完全地支持即插即用是每一个 动程序的目标。对于一般的驱动程序来说，所谓的即 插即用完全是由 程和一个 主功能代码来实现的。 当一个新的即插即用设备被添加到系统时， 内核 数，在本设计的 现。 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 24 页 例程的工作是创建和初始化一个设备对象供当前驱动程序使用。同时 程通过调用 驱动程序建立一个设备接口，并通过调 用 程把该对象连接到设备栈。 程被调用后， 理器使用 程 现了 息的处理过程，其通过判别常用次功能代码来执行不同的 作。 实现及被调用后的消息处理过程的具体实现代码见附录 D。 第 4 章 硬件部分程序代码 驱动程序的安装及 件 当 现新的设备时（在系统启动时、在安 装热插拔设备时、或者在从控制面板安装新设备时） ，就调用 “ 添加新设备向导 ” 执行。这个向导就扫描所有可用的 图找到合适的驱动程序。至于如何找到想要的 件，这就需要前面叙述的硬件 ，即厂商号 产品号 是要写入固件程序中的。这里使用的 0471 ( 、 0222。 选择一个设备的规则是相当复杂的， 先选择硬件 配的设备的驱动程序，否则它 选择其兼容 设备的兼容功最佳匹配的驱动程序，或者提示用户选择驱动程序 果不能发现合适的驱动程序，就提示用户插入驱 程序盘。下面就来介绍一下 是 英文缩写，是 司为硬件设备制造商发布其驱动程序推出的一种文件格式， 件中包含硬件设备的信息或脚本以控制硬件操作。在 文件在哪里、安装到哪一个文件夹中、怎样在注册表中加入自身相关信息 等 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 25 页 等。它由节组成，每一节从方括号中的节名称开始，后面是节内容。节的顺序可以是任意的。具体内容如表 5所示。 表 5 节 项 值描述 $、 $ $ 件创建者 系统定义的一个类名字（详见 或者是用户指定的新的类名字 匹配的类 Mm/dd/ %值 指定的一个字符串 对于每个发行软盘或 定它的描述和可能的打文件和目录 指定文件名、源磁盘 可选的子目录和文件大小。如果所有文件都在根目录中，这个节可 以是空的 % 指定厂商名和对应的 的 % = 指定产品名称、对应的 的名称、硬件 0 个或更多个兼容 指定要复制的文件、或列出这 些文件的 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 26 页 f 的名称 指定 的名称 列出指定要添加到 “开始 ”菜单的项 添加新的键和值 节 项 值描述 值 对于每个发行软盘或 、 $件创建者 系统定义的一个类名字（详见 或者是用户指定的新的类名 匹配的类 Mm/dd/指定的一个字符串 指定它的描述和可能的打文件和目录 指定文件名、源磁盘 可选的子目录 辽宁科技大学信息技术学院本科毕业生毕业设计（论文） 第 27 页 = 加新的键和值 和文件大小。如果所有文件都在根目录中，这个节可以是空的 指定厂商名和对应的 的名称 指定产品名称、对应的 的名称、硬件 0 个或更多个兼容 指定要复制的文件、或列出这些文件的 的名称 指定 的名称 列出指定要添加到 “开始 ”菜单的项 应用程序 用户应用程序是系统与用户