基于USB接口的溫度傳感器設(shè)計(jì)方案第1章 緒論1.1 ?設(shè)計(jì)理念與背景? ?基于USB接口的溫度傳感器，就是利用USB接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)技術(shù)的溫度傳感器與PC機(jī)之間通信的溫度采集系統(tǒng)，以提高溫度采集的準(zhǔn)確度于精度實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、告訴的溫度數(shù)據(jù)采集和傳輸在工業(yè)生產(chǎn)、科研及醫(yī)療等需要嚴(yán)格進(jìn)行溫度控制的行業(yè)中，常常利用PC機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控和處理，這就需要一種精度和自動(dòng)化水平高、應(yīng)用范圍廣的溫度采集手段，這就為基于單片機(jī)技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)得到了普遍應(yīng)用這種溫度采集系統(tǒng)可以根據(jù)主機(jī)命令通過(guò)傳感器采集溫度信號(hào)，并通過(guò)放大轉(zhuǎn)換后經(jīng)通訊接口上傳至主機(jī)，以進(jìn)一步的顯示、分析和處理???溫度采集系統(tǒng)由溫度采集模塊和主機(jī)系統(tǒng)組成，之間通過(guò)總線接口進(jìn)行通信溫度采集模塊是以單片機(jī)及溫度傳感器為核心構(gòu)成的智能系統(tǒng)，具有完整的 信號(hào)采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換、變換數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)及執(zhí)行上位機(jī)命令等功能主機(jī)系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度采集模塊的控制，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的讀取，同時(shí)提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的顯示、分析和處理等功能而要實(shí)現(xiàn)主機(jī)系統(tǒng)的功能，則需要通過(guò)總線接口將對(duì)溫度采集模塊所采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)溫度數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，傳輸速度、糾錯(cuò)能力和操作安裝的簡(jiǎn)易性是人們?cè)谑褂脺囟炔杉到y(tǒng)的過(guò)程中關(guān)注的目標(biāo)，而數(shù)據(jù)通信技術(shù)則成為其中的關(guān)鍵技術(shù)。

任何一種數(shù)據(jù)通訊技術(shù)都離不開(kāi)接口，溫度采集系統(tǒng)采用何種接口進(jìn)行通信是影響系統(tǒng)整體效率的重要因素之一1.2 ?目前常用的總線接口（1）PCI? PCI總線是Intel公司為Pentium處理器設(shè)計(jì)的一種新型標(biāo)準(zhǔn)總線，這種總線技術(shù)允許快速的內(nèi)存，磁盤和視頻訪問(wèn)PCI總線結(jié)構(gòu)的高傳輸速度限制了PCI接口的數(shù)量，一般只能有兩到三個(gè)（通常用于圖形和硬盤控制器）最大傳輸速度為264Mbps（只能在基于Pentium處理器的系統(tǒng)中使用64位軟件才能達(dá)到）1.3 USB2 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第4頁(yè) 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第3頁(yè)USB,Universal Serial Bus（通用串行總線），是一種新規(guī)格的快速、靈活的總線，是PC機(jī)和MAC記都支持的總線標(biāo)準(zhǔn)在傳統(tǒng)的個(gè)人電腦領(lǐng)域中，外圍設(shè)備存在著許多問(wèn)題，不管是ISA總線還是PCI總線，I/O地址沖突十分常見(jiàn)，都不能可靠地支持共享式中斷。

同時(shí)，這些大多數(shù)都是不可以隨意插拔的，必須在開(kāi)機(jī)前裝好才能正常使用事實(shí)上，這種接口使設(shè)備的連接毫無(wú)靈活性可言USB正是作為克服這些困難的一種解決方案而出現(xiàn)的USB的主要特點(diǎn)如下：（1）速度快USB有全速和低速兩種方式，主模式為全速模式，速率為12Mbps，還提供低速方式，速率為1.5Mbps新推出的USB2.0協(xié)議提供最高達(dá)480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)2）支持熱插拔和即插即用所有的USB設(shè)備可以隨時(shí)的插入和拔離系統(tǒng)，USB主機(jī)能夠動(dòng)態(tài)的識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)，并自動(dòng)給接入的設(shè)備分配地址和配置參數(shù)，添加、刪除設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)，不必像過(guò)去那樣需要手動(dòng)跳線和撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置新的外設(shè)3）易于擴(kuò)展如圖1所示USB使用的是一種易于擴(kuò)展的級(jí)聯(lián)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)使用USB Hub(USB集成器)擴(kuò)展可連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長(zhǎng)度為3米（低速為5米）通過(guò)Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30米，可以使用多種連接方式進(jìn)行擴(kuò)展復(fù)合設(shè)備主機(jī)根HUB設(shè)備設(shè)備HUBHUB設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備圖2.1 USB總線物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（4）使用靈活USB共有4種傳輸模式：控制傳輸（control）、同步傳輸（synchronization）、中斷傳輸（interrupt）、批量傳輸(bulk)，適應(yīng)不同設(shè)備的需要。

在本系統(tǒng)中采用了控制傳輸和批量傳輸兩種方式5）能夠采用總線供電普通使用串口、并口的設(shè)備都需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)，而USB設(shè)備則不需要，因?yàn)閁SB接口提供了內(nèi)置電源USB電源能向低壓設(shè)備提供最大5V，500mA的電源，從而降低了這些設(shè)備的成本并提高了性價(jià)比6）實(shí)現(xiàn)成本低USB對(duì)系統(tǒng)與PC的集成進(jìn)行了優(yōu)化，適合于開(kāi)發(fā)低成本的外設(shè)1.4 ?國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)與獨(dú)立的機(jī)箱設(shè)備通過(guò)串口或 GPIB 接口與計(jì)算機(jī)連接組成隨著基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以通過(guò)PCI、ISA 或 PXI 連接到 PC 的數(shù)據(jù)總線在 USB1.1 推出之前，支持 USB的功能模塊并不多，原因除了因?yàn)閭鹘y(tǒng)的通信接口，如RS232, IEEE488等，一時(shí)難以退出應(yīng)用領(lǐng)域外， 一些早期USB應(yīng)用者因?yàn)槠脚_(tái)的實(shí)用性不強(qiáng)而步履艱難 隨著 Windows98 對(duì) USB驅(qū)動(dòng)軟件(USBD)完善， 使其可提供對(duì) USB的強(qiáng)有力的支持，對(duì) USB 技術(shù)的發(fā)展起到重要推進(jìn)作用自此，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出大批的 USB產(chǎn)品在 1999 年初，在Intel開(kāi)發(fā)者論壇大會(huì)上，與會(huì)者介紹了USB2.0規(guī)范，該規(guī)范的支持者除原有的成員外，又增加HP, Lucent 和PHILIPS 三個(gè)新成員。

USB2.0 對(duì) USB1.1 所規(guī)定的性能有所擴(kuò)展，又向下兼容，數(shù)據(jù)的傳輸率將達(dá)到480Mbps現(xiàn)在，越來(lái)越多的測(cè)量系統(tǒng)包含有通過(guò)USB總線連接的測(cè)量設(shè)備2004 年 5 月，NI 公司發(fā)起了一波“傳感器即插即用”(Sensors Plug&Play)行動(dòng)，在針對(duì)靈巧的 TEDS (Transducer Electronic Data Sheet，傳感器電子數(shù)據(jù)表) ?傳感器的IEEE 1451.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上推出了一系列數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品通過(guò)采用傳感器即插即用技術(shù)和新的USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備， 工程師和科學(xué)家們可以創(chuàng)建一個(gè)從傳感器到軟件的完整的即插即用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)在有許多廠商提供經(jīng)過(guò)預(yù)先測(cè)試可以無(wú)縫地與傳感器即插即用硬件共同工作的傳感器，開(kāi)發(fā)人員可以使用NI LabVIEW、Microsoft Visual Basic和C來(lái)開(kāi)發(fā)軟件應(yīng)用，以迅速、方便地進(jìn)行測(cè)量隨著 USB 數(shù)據(jù)采集設(shè)備繼續(xù)減小體積和降低功耗， 它們也變得更加便攜和經(jīng)濟(jì)通過(guò)兼容傳感器即插即用特性和多種擴(kuò)展技術(shù)，NI 公司 USB 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的功能更超越了它們自己本身2006 年 VDC 公司一份關(guān)于數(shù)據(jù)采集發(fā)展趨勢(shì)的研究表明，幾乎半數(shù)受訪者計(jì)劃購(gòu)買一件 USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

隨著USB On-The-Go 和無(wú)線 USB等新技術(shù)的出現(xiàn)， 未來(lái) USB在測(cè)量和自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用必定無(wú)可限量1.5 ?課題的目標(biāo)及意義 基于 USB 接口的溫度采集系統(tǒng)，不僅僅是將 USB 接口用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，它需要依據(jù) USB協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換； 底層硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)之間需要以驅(qū)動(dòng)程序?yàn)闃蛄?；?qū)動(dòng)程序要實(shí)現(xiàn)與 Windows 系統(tǒng)底層核心機(jī)制相交互的功能因此，研究 USB 接口技術(shù)的內(nèi)核原理，掌握系統(tǒng)設(shè)備端 USB 接口設(shè)計(jì)和固件編程方法，及主機(jī)端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)技術(shù)就成其關(guān)鍵 本課題以研究基于 USB接口溫度采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用為主要目的， 在深入分析研究 USB 協(xié)議和設(shè)備構(gòu)架的基礎(chǔ)上，對(duì)基于 USB 接口的溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件編程使溫度采集模塊采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò) USB ?接口傳送到主機(jī)系統(tǒng)，使客戶應(yīng)用程序通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序得到數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理意義在于深入研究USB接口技術(shù)的內(nèi)核，掌握溫度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、固件程序、驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，積累設(shè)備開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，為今后溫度采集系統(tǒng)更好地應(yīng)用奠定基礎(chǔ)第2章 硬件設(shè)計(jì)2.1 ?基于USB接口的溫度傳感器的工作原理2.1.1 ?工作原理圖圖2.2 ?基于USB接口的溫度傳感器2.1.2 ?工作原理首先由DS18B20單總線溫度傳感器采集溫度，通過(guò)單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序?qū)囟刃盘?hào)送入PDIUSBD12芯片及外圍設(shè)備，再由USB接口與PC機(jī)進(jìn)行通信，并在PC機(jī)上顯示溫度。

系統(tǒng)總體框架由4 ?部分構(gòu)成：溫度采集器、USB接口、上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)應(yīng)用程序溫度采集器是一個(gè)智能單片機(jī)系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)，并把從上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸命令從USB接口接收后解析執(zhí)行，再把數(shù)據(jù)值打包后通過(guò) USB 接口發(fā)送到上位機(jī)等；USB接口負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 USB 協(xié)議要求的格式來(lái)傳輸；驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)在上位機(jī)應(yīng)用程序和溫度采集器專用代碼之間的轉(zhuǎn)換，把應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口發(fā)送到溫度采集器，并把溫度采集器傳來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用程序；應(yīng)用程序負(fù)責(zé)把用戶的操作命令通知給驅(qū)動(dòng)程序，并把溫度采集器送來(lái)的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序的轉(zhuǎn)換顯示給用戶我將在下面幾節(jié)中介紹各硬件部分的功能2.2 ?溫度采集部分???DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便 2.2.1 ?DS18B20數(shù)字溫度傳感器的外形及引腳說(shuō)明SOIC封裝的DS18B20的引腳排列見(jiàn)圖3，其引腳功能描述見(jiàn)表1圖2.3 TO-92封裝和SOIC封裝的DS18B20的引腳排列DS18B20采用3腳TO-92封裝或8腳SOIC封裝。

圖3是其采用3腳TO-92封裝的底視圖及8腳SOIC封裝的引腳排列圖其中GND接地；VDD為電源端；DQ是數(shù)據(jù)輸入/輸出端；其余為空腳 序號(hào)名稱引腳功能描述123GNDDQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳VDD地信號(hào)開(kāi)漏單總線接口引腳當(dāng)被用在寄生電源下，也可以向器件提供電源可選擇的VDD引腳當(dāng)工作于寄生電源時(shí)此引腳必須接地2.2.2.DS18B20的性能及特點(diǎn)由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量 及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，而且兼具如下幾個(gè)性能：①適應(yīng)電壓范圍3.0―5.5 V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電②獨(dú)特的單線接口方式，DS8B20在與微處理器連接時(shí)，僅需要一根口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信③DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫④DS8B20在使用中，不需要任何外圍元件，全部傳感原件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只晶體管的集成電路內(nèi)⑤測(cè)溫范圍：-55℃～125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃。

⑥可編程的分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃﹑0.25℃﹑0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫⑦在9位分辨率時(shí)，最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；12位分辨率時(shí)，最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快⑧測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力⑨負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作2.2.3 ?DS18B20工作過(guò)程及時(shí)序數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖高溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率對(duì)溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器2提供一個(gè)頻率隨。