基于單片機(jī)和USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)硬件組成
整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖l所示。AT89C52為主控單片機(jī)，負(fù)責(zé)控制A／D轉(zhuǎn)換、上傳采集數(shù)據(jù)、接收并執(zhí)行主機(jī)的命令。CY7C68013為USB接口芯片。A／D轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司生產(chǎn)的TLC549，AD780是一款高精度參考電壓芯片，可為TLC549提供2．5 V或 者3．0 V的參考電壓。系統(tǒng)+5 V電源由主機(jī)的USB 接口提供，CY7C68013所需的電源為+3．3 V，由+5 v 電源接穩(wěn)壓芯片APlll7提供，圖中沒有畫出。

1．2 TLC549
TLC549是以8位開關(guān)電容逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的CMOS A／D轉(zhuǎn)換器，將其設(shè)計(jì)成能通過三態(tài)輸出與微處理器或外圍設(shè)備串行接VI。TLC549用輸入／輸出時(shí)鐘(I／O CLOCK)和芯片選擇(CS)輸入作數(shù)據(jù)控制，轉(zhuǎn)換結(jié)果由DATAOUT引腳輸出。I／o CLOCK端的最高頻率可達(dá)1．1 MHz。TLC一549片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘工作在4 MHz(不需要外部時(shí)鐘)。片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘使內(nèi)部器件的操作獨(dú)立于串行輸入／輸出時(shí)序并允許TLC549像許多軟件和硬件所要求的那樣工作。I／O CLOCK和內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送，使得TLc549可實(shí)現(xiàn)40 kHz的采樣頻率。TLC549具有通用控制邏輯及自動(dòng)工作或在微處理器控制下工作的片內(nèi)采樣／保持電路，差分高阻抗基準(zhǔn)電壓輸入端，易于實(shí)現(xiàn)比例轉(zhuǎn)換的高速轉(zhuǎn)換器，定標(biāo)及隔離電路。整個(gè)開關(guān)電容逐次逼近轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計(jì)允許在小于17μs的時(shí)間內(nèi)，以最大誤差±0．5為最低有效位的精度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。
1．3 CY7(368013及其固件程序
EZ―USB FX2系列芯片CY7C68013是業(yè)界第一個(gè)支持USB2．0，同時(shí)向下兼容USBl．1規(guī)范的單片機(jī)，為描述方便以下簡(jiǎn)稱該芯片為FX2。FX2支持全速傳輸(12 Mb／s)和高速傳輸(480 Mb／s)，該芯片將USB2．O收發(fā)器、串行接口引擎SIE、增強(qiáng)的8051內(nèi)核、GPIF等集成于一體。FX2內(nèi)含4 KB的端點(diǎn)緩沖區(qū)F1FO，可以被配置為具有不同大小緩沖區(qū)的IN或OUT端點(diǎn)(EP2，EP4，EP6，EP8)，具有USB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸方式，即控制方式、中斷方式、批量傳輸、和同步傳輸方式。Cypress公司為FX2提供了完善的軟件開發(fā)工具包，降低了開難度，加快了開發(fā)進(jìn)度。
FX2可以工作在3種不同的模式下完成USB數(shù)據(jù)的傳輸，即：Ports模式、GPIF模式和Slave FIFO模式。Ports模式下其uSB數(shù)據(jù)的傳輸主要在FX2的8051內(nèi)核參與下完成，數(shù)據(jù)傳輸通過執(zhí)行指令實(shí)現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)的傳輸率比較低，對(duì)大批量數(shù)據(jù)傳輸一般采用后兩種方式。GPIF方式，稱為通用可編程接口方式，在此模式下，F(xiàn)X2的FIFO是由內(nèi)部的GPIF控制的，F(xiàn)X2利用由軟件編程輸出讀寫控制波形讀取FIFO標(biāo)志，控制FIFO的選通，并且對(duì)外部設(shè)備提供了用戶專用接口，可以對(duì)許多通用總線接口進(jìn)行訪問，如ASIC，DSP和存儲(chǔ)器等。文獻(xiàn)利用FX2的GPIF方式構(gòu)建了LISB數(shù)據(jù)傳輸通道。Slave FIFO方式是將FX2的FIFO作為外部控制器(如FPGA或單片機(jī))的從屬FIFO，外部控制器可像普通FIFO操作一樣對(duì)FX2的FIFO進(jìn)行讀寫，而不考慮該包的大小，傳輸速率可明顯提高，文中FX2在Slave FIFO模式下工作。FX2有3種封裝形式：128引腳、100引腳和56引腳，這里選用FX2的56引腳的封裝形式。
FX2芯片在使用時(shí)必須先下載固件程序，固件程序主要負(fù)責(zé)完成芯片初始化，對(duì)芯片進(jìn)行必要的配置、處理設(shè)備請(qǐng)求、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)认鄳?yīng)工作。用戶通過編寫適當(dāng)?shù)墓碳绦蛲瓿蓪?duì)FX2的設(shè)置。Cypress公司提供了一個(gè)固件程序開發(fā)框架可以大大簡(jiǎn)化FX2芯片固件程序的開發(fā)難度。通過編寫用戶初始化函數(shù)TD_Init()，用戶可以規(guī)定各種端點(diǎn)資源的使用以及配置外圍接口的輸入／輸出等。其主要配置語句如下：