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文档简介
1绪论1.1研究背景通信是指不同的独立系统利用线路互相交换数据,它的主要目的是将数据从一端传送到另一端,实现数据的交换。在现代工业控制中,通常采用计算机作为上位机与下层的实时控制与监测设备进行通讯。现场数据必须通过一个数据收集器传给上位机,同样上位机向现场设备发命令也必须通过数据收集器。串行通信因其结构简单、执行速度快、抗干扰能力强等优点,已被广泛应用于数据采集和过程控制等领域。计算机与外界的信息交换称为通信。基本的通信方式有并行通信和串行通信两种。串行通信是指一条信息额各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。串行通信的特点是:数据位传送,按位顺序进行,最少只需要一根传输线即可完成,成本低但传送速度快,串行通信的距离可以从几米到几千米。随着计算机技术尤其是单片微型机技术的发展,人们已越来越多地采用单片机来对一些工业控制系统中如温度、流量和压力等参数进行监测和控制。PC机具有强大的监控和管理能力,而单片机则具有快速及灵和的控制特点,通过PC机的RS-232串行接口与外部设备进行通信,是许多测控系统中常用的一种通信解决方案。而随着USB接口技术的成熟和使用的普及,由于USB接口有着RS-232(DB-9)串口无法比拟的优点,RS-232(DB-9)串口正在逐步地为USB接口所替代。而在现在的大多数笔记本电脑中,出于节省物理空间和用处不大等原因,RS-232(DB-9)串口已不再设置,这就约束了基于RS-232(DB-9)串口与PC机联络的单片机设备的使用范围。当前USB接口逐步取代RS-232(DB-9)串口已是大势所趋,单片机同计算机的USB通信在实际工作中的应用范围也将越来越广。本文所介绍的单片机和PC机的USB通信方法,电路简单,兼容性好,可移植性强,故可作为单片机同计算机的USB通信模块广泛应用于工业和电子产品的开发中。因此研究如何实现PC机与单片机通过USB之间的通信具有非常重要的现实意义。1.2国内外研究现状由于计算机工业自动控制和检测系统越来越多地采用集总分散系统,而主从式是其中最为普遍的一种方式,因此各种各样主从式总线通信系统的方法不断涌现。目前比较常用的有利用IIC总线传输协议设计的主从式总线通信系统,还有的是利用SPI总线传输协议和USB协议以及串口通信等设计的主从式总线通信系统[6,7]。由于主从式总线通信系统采用的方法众多,因此目前国内外一般是根据实际情况而采用不同的方法去实现主从式通信系统的功能[8]。比如,如果要设计的主从式通信系统只是小范围内传送数据,甚至只是板间传送数据,或者要求使用的I/O口很少,而对于数据的抗干扰能力的要求不是很高的话,则采用IIC总线传输协议是最合适不过的了。IIC总线支持任何一种IC制造工艺,并且PHILIPS和其他厂商提供了种类非常丰富的I2C兼容芯片。作为一个专利的控制总线,IIC已经成为世界性的工业标准。每个器件都有一个唯一的地址,而且可以是单接收的器件(例如:LCD驱动器)或可以接收也可以发送的器件(例如:存储器)。发送器或接收器可以在主模式或从模式下操作,这取决于芯片是否必须启动数据的传输还是仅仅被寻址。IIC是一个多主总线,即它可由多个连接的器件控制[9]。基本的I2C总线规范于20年前发布,其数据传输速率最高为100Kbits/s,采用7位寻址。但是由于数据传输速率和应用功能的迅速增加,I2C总线也增强为快速模式(400Kbits/s)和10位寻址以满足更高速度和更大寻址空间的需求[10]。IIC总线始终和先进技术保持同步,但仍然保持其向下兼容性。并且最近还增加了高速模式,其速度可达3.4Mbits/s。它使得IIC总线能够支持现有以及将来的高速串行传输应用,例如EEPROM和Flash存储器[11]。而如果需要远距离传输数据,且对数据传送的抗干扰能力要求有点高,则可以使用RS-422或者RS-485协议进行主从式通信系统的设计[12]。另外,USB协议则是一种比较新型、快速、灵活的总线传输方法,此通信系统通常只有一个主机,利用此方法设计的通信息有如下特点:(1)适用范围广泛,适用于数码相机,高速数据采集等多种设备;(2)支持热拔插,且此过程由系统自动完成,无需用户干预;(3)采用菊花链式的星型总线结构,支持多达127个外设同时连接;(4)5Mbps、12Mbps和480Mbps的3种速度模式,可以满足不同外设对速度的要求。USB发展到今天,总共有三种标准:1996年发布的USB1.0,1998年发布的USB1.1以及刚刚发布的最新标准USB2.0,此三种标准最大的差别就在于数据传输率方面,在其他方面也不同程度的改进,总体来说,就目前的USB2.0而言,已经拥有什么出众的性能与传输速率。USB数据线由两对线组成,一对电力线,通过电力线可以为USB设备提供5V电压,允许通过最大电流为500mA,这个数字不算很大,但好在聊胜于无,可以满足一些耗电量较少的设备的需求,通过特殊的USB互联设备,我们还可以用USB口实现双机联网,速度是USB1.1的标准达12Mbps(1.5MB/S),可惜仅能进行简单的数据交换,不能称作真正的网络[13,14]。当所要设计的主从式总线通信系统采用譬如MSP430单片机当主机或者从机时,由于此单片机具有支持SPI的片内串行通信接口,所以可以采用SPI总线传输协议进行设计。SPI是英语SerialPeripheralInterface的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口[15]。是Motorola首先在器MC68HCXX系列处理器上定义的[16]。SPI接口主要应用在EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议,比如AT91RM9200。串行外围设备接口SPI是一种同步串行接口,因其硬件功能强,与SPI有关的软件就相当简单,可使MSP430单片机有更多的时间处理其他任务。此时,所设计的系统拥有极低的功耗,丰富的片内外设,卓越的工作性能和方便灵活等优点[17]。1.3本课题研究的主要内容本文研究的内容共分为五个章节,第一章介绍本课题的研究背景和国内外研究现状;第二章介绍串行通信的基本原理;第三章介绍具体USB通信原理;第四章介绍PC机和USB通信的设计,包括两个方面:(1)硬件设计:单片机及外围电路设计;(2)软件设计:单片机的通信控制程序,PC机的通信程序。第五章对本文的总结。仔2就串行毫通信弟基础撑2.启1俭串口状通信枯的基蔑本知妥识攀2德.1伐.1浑并行老通信棕与串妻行通狱信惭微机活的信证息交较换有牧两种保方式谜进行棉:串斜行通止信方勇式和万并行允通信思方式膛。骗1.栽串怀行通能信科串行辉通信驳的设衫备是这最古练老的郑沟通解机制岔之一悲。从君IB骆M个草人电搏脑和储兼容枯式电远脑的信时代辅开始歇,几你乎所留有的伴计算顾机都傻配有烦一个邻或多榆个串劈行端回口和纳一个遵并行湖端口永。顾桌名思邀义,消一个爽串行压端口敬发送雪和接协收串冠行数丑据,肚一次脸一位声数据数。相笨反,惰一个肢并行碰端口遇一次锡发送施和接仪收8揭位数僵据,纠使用泽8个扶单独立的专线路策。牧提示惰:要砖使串旧行通锡信工度作,谈你只肠需要悔一根淹三根伏线的阵电缆看——脑1根旧发送然,1雷根用嘉来接最收,能1根割接地换。对拿于并魂行通碗信,束你需怠要采阔用8仓条导治线。亭尽管军相对铁较慢哀的传掘输速约度远露低于习并行裁端口拘,串狗行端秆口通进信依确然因胁为它雄简单具的设仁备伏、葬高的窑成本惧效益恋以及召差错魄可控烛性强贤而逝成为云一个昂受欢耀迎的臭连接衔选项暗。图芽2-毅1逗显示醒了翠使用睬串行馋口连编接到轨计算削机的判设备览。乐图肥2-愤1伞一些宫常见袋的串峡行设鼠备,方调制闻解调亲器,乏鼠标诵和路棵由器泉虽然章今天焰的消庭费产出品中严在串额行连极接的挡地方须使用波US稼B连吸接,捡但还万有很校多的陵设备苏使用肾串行袍端口挂作为耻与外跌部世倒界的滩唯一梨连接氏。占一个双串行逼设备念一次哨发送街和接共收一舌位数京据,扇有些臣设备屠因为板在同纸一时仓间发熔送和嫂接收傅数据导,被纠称为归全双租工设毯备。煤其他棚可以怎在任横何时蜻间发念送或骨接收坑被称痛为单看双工阿。样开始甲传输年时,沟设备俊先发盘送一伏个起乞始位钟,其罗次是嘉数据抚位。启该数撤据位单可以期是五堤,六秋,七汽,或薯8丛位,荡基于就商定挺而定全。两舅个发侄送方腿和接梨收器鸡必须惠设置卵为相露同的耗数据懂通信借比特荷或正球确的控比特膝率。盗数据窄位被锅发送剥完后赛,就骡会发济送一婆个停民止位闹。一像个停协止位晶可以劳是一他位,架一个救半位麻,或毅两位字。波职特率新是数谊据从评一个止设备摄到另竹一个粪的传检输速急度。壮波特烫率通舰常以田每秒她的位污数(个bp美s)冲来计页量。散注意烧:大侄多数孝串行接设备荷传输奇七,帝八位克数据总。滩为了鞋检测味数据徒已被挤正确牙发送笛,一得个可斤选的摔校验元位可士以同钞数据句位在形一起慈。一彻个校盘验位贱可以辩是以颈下内嗽容:优奇数城,偶体数,珠ma碍rk顷,s质pa纵ce介或无变(空挎的奇百偶位疫标志性几乎驼总是瓶被使哲用)羊。使丘用校兴验位吗提供替了一断个基班本的碎机制淡,以忧检测置已发受送数递据损麻坏,野但不御保证居检查帖数据殖本身岔的错王误。走然而铺,校墙验位讽可用验于改斑善完匪整性旺数据裙传送修。狸大多流数串余行端协口使委用R挂S2粉32届C标纪准,洋它指径定了魂一个副连接必器2姐5针花或9圆针(尾见图忍2-局2)错。大嫩多数鬼系列右设备圆使用丧9针役连接探器。犁图右2-习2违25叼针和浆9针式串行滑接口夜2农.并纠行通曲信逃在计抵算机冤和终鲜端之聪间的序数据悟传输冠通常沃是靠罚电缆昌或信酒道上拖的电央流或获电压角变化赔实现继的计。如蓄果一棋组数扯据的滴各数铅据位截在多胆条线无上同寸时被伞传送题,这退种传肺输被竞称为庆并行鼠通信比,如恰图耍2-役3狐所示养。泉并行专通信呢时数革据的禽各个烤位同淋时传树送,弄可以慢字或至字节忙为单廊位并眉行进变行。果并行进通信庙速度抄快,屑但用闭的通从信线纷多、疏成本锁高,映故不潜宜进就行远仆距离蚂通信淹。计奥算机县或P轿LC茄各种钻内部证总线牌就是驱以并衔行方梢式传汗送数贡据的彻。藏图础2-喘3白并行侦通信隶2.窜1.撇2毕串行售通信栋工作见模式申如果意在通纹信过闪程的锁任意溜时刻膊,信恶息只雕能由辽一方泥A传拣到另首一方裁B,市则称亭为单匙工。睡如果单在任含意时岸刻,撒信息攀既可鲁由A界传到幻B,弯又能粒由B产传A帜,但圾只能豆由一傍个方四向上钉的传提输存油在,啄称为笑半双漏工传燃输。垒如果剪在任奋意时途刻,祥线路示上存尤在A燥到B塘和B帽到A草的双返向信宾号传索输,枝则称请为全偷双工毯。魂窜线就身是二冠线全供双工孟信道蒸。由概于采冬用了贸回波侨抵消秀技术称,双稀向的党传输贫信号丸不致猴混淆俘不清结。双骂工信祥道有腥时也下将收淹、发浑信道铲分开阵,采喷用分肯离的喘线路宅或频干带传急输相听反方难向的项信号披,如车回线裙传输俘。吩在串轿行通扯信中羽,数呜据通赤常是侍在两瓦个站抖(如筝终端欠和微盖机)奸之间血进行泛传送杯,按裹照数吼据流沉的方筒向可渐分成源三种挂基本业的传斗送方责式:约全双矿工、寨半双晓工、芬和单建工。处但单幻工目凯前已赤很少贫采用问,下绪面仅铅介绍朴前两类种方何式。鉴1.白半双冻工方访式央若使童用同解一根戏传输盒线既桨作接桥收又朽作发老送,散虽然杆数据唯可以载在两源个方明向上伪传送齐,但民通信亡双方舅不能柿同时售收发酷数据苦,这丹样的扇传送自方式槽就是兽半双塑工制引,如吧图禁2-单4汽所示烂。采劈用半嚷双工约方式怪时,袍通信所系统阳每一浓端的费发送烧器和裙接收榆器,摄通过未收/穗发开薯关转嫁接到质通信泼线上佳,进典行方槐向的奸切换膜,因勿此,吧会产胖生时押间延玩迟。棋收/咐发开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