低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計

　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高[2]。在許多場合要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向便攜化方向發(fā)展,要求系統(tǒng)具有體積小、功耗低、傳輸速度快、使用方便靈活等特點。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,如何節(jié)省電能以使系統(tǒng)工作時間更長,如何通信才能使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度更快,已經(jīng)成為系統(tǒng)開發(fā)過程中必須加以考慮的主要內(nèi)容。

　　微控制器MSP430的超低功耗技術(shù)在眾多單片機中獨樹一幟,同時它具有集成度高等特點,因此,選用該控制器作為系統(tǒng)的主控制器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和Flash存儲等功能。此外,USB端口與以往的普通端口(串口與并口)相比具有傳輸速度快、功耗低、支持即插即用、維護方便等優(yōu)點;因此在通信設(shè)計時,結(jié)合UART轉(zhuǎn)USB芯片CP2101以實現(xiàn)USB接口通信。上述設(shè)計既利用了MSP430的超低功耗特性,又利用了CP2101設(shè)計USB接口的簡便性,設(shè)計得到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)便攜化、低功耗、使用方便等目標(biāo)。

1 MSP430數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計

1.1 采集系統(tǒng)簡介

　　本系統(tǒng)實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的采集、Flash存儲及USB通信等功能。單片機系統(tǒng)主要完成信號采集、A/D轉(zhuǎn)換、對信號進行放大濾波處理、數(shù)據(jù)通信、Flash存儲等;實時時鐘記錄采集數(shù)據(jù)的時間;CP2101實現(xiàn)USB接口,并把單片機采集到的信號傳給微機;微機完成數(shù)據(jù)接收、存入數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理、計算、顯示等功能[3]。

1.2 超低功耗MSP430微控制器

　　MSP430是TI公司近幾年推出的16位系列單片機。它采用最新的低功耗技術(shù),工作在1.8～3.6V電壓下,有正常工作模式(AM)和4種低功耗工作模式(LPM1、LPM2、LPM3、LPM4);在電源電壓為3V時,各種模式的工作電流分別為AM：340μA、LPM1：70μA、LPM2：17μA、LPM3：2μA、LPM4：0.1μA,而且可以方便地在各種工作模式之間切換。它的超低功耗性在實際應(yīng)用中,尤其是在電池供電的便攜式設(shè)備中表現(xiàn)尤為突出。在系統(tǒng)初始化后便進入待機模式,當(dāng)有允許的中斷請求時,CPU將在6μs的時間內(nèi)被喚醒,進入活動模式,執(zhí)行中斷服務(wù)程序。執(zhí)行完畢,在RETI指令之后,系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài),繼續(xù)低功耗模式[4]。

　　本設(shè)計采用MSP430F13X微控制器。它具有非常高的集成度,單片集成了多通道12位A/D轉(zhuǎn)換、PWM功能定時器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器(DCO)、大量的I/O端口、大容量的片內(nèi)RAM和ROM以及Flash存儲器。其中Flash存儲器可以實現(xiàn)掉電保護和軟件升級。

1.3 USB接口芯片選型

　　通用串行總線USB是由Intel等廠商制定的連接計算機與具有USB接口的多種外設(shè)之間通信的串行總線[5]。傳統(tǒng)上,USB接口的開發(fā)較為復(fù)雜。在同其它USB接口芯片相比較之后,本設(shè)計選擇了無需外部元件的UART轉(zhuǎn)USB芯片CP2101。選擇這種接口芯片,可使USB通信接口設(shè)計變得十分容易。與同類產(chǎn)品相比,CP2101具有以下優(yōu)點：

　?、?具有較小的封裝。CP2101為28腳5mm×5mm MLP封裝。這在PCB上的尺寸就比競爭對手小30%左右。
　?、?高集成度。片內(nèi)集成512字節(jié)EEPROM(用于存儲廠家ID等數(shù)據(jù)),片內(nèi)集成收發(fā)器、無需外部電阻;片內(nèi)集成時鐘,無需外部晶體。
　?、鄣统杀?可實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的解決方案。CP2101的USB功能無需外部元件,而大多數(shù)競爭者的USB器件則需要額外的終端晶體管、上拉電阻、晶振和EEPROM。具有競爭力的器件價格,簡化的外圍電路,無成本驅(qū)動支持使得CP2101在成本上的優(yōu)勢遠超過競爭者的解決方案。
　?、?具有低功耗、高速度的特性,符合USB2.0規(guī)范,適合于所有的UART接口(波特率為300bps~921.6kbps)。工業(yè)級溫度范圍為-40℃~85℃[6]。

2 USB通信的硬件接口電路

　　硬件電路如圖1所示。CP2101的SUSPEND與引腳接到MSP430F13X的普通串口上。這兩個引腳傳送USB掛起和恢復(fù)信號,此功能便于CP2101器件以及外部電路的電源管理。當(dāng)在總線上檢測到掛起信號時,CP2101將進入掛起模式,可以節(jié)省電能。在進入掛起模式時,CP2101會發(fā)出SUSPEND與信號。為了避免SUSPEND與在復(fù)位期間處于高電平,使用10kΩ的下拉電阻確保在復(fù)位期間處于低電平。

　　CP2101的USB功能控制器管理USB和UART間所有的數(shù)據(jù)傳輸,以及由USB主控制器發(fā)出的命令請求以及用于控制UART功能的命令等。CP2101的UART接口處理所有的RS232信號,包括控制和握手信號。CP2101的VBUS與VREGIN引腳必須始終連到USB的VBUS信號上。在VREGIN的輸入端加去耦電容(1μF與0.1μF并聯(lián))[6]。CP2101與單片機接口是標(biāo)準(zhǔn)UART電平,與計算機的USB端口連接是USB標(biāo)準(zhǔn)電平,因此,無論與3V還是5V供電的單片機連接都不需要電平轉(zhuǎn)換。

3 USB通信接口的軟件程序設(shè)計

　　USB接口程序設(shè)計包括三部分：單片機程序開發(fā)、USB設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)、主機應(yīng)用程序開發(fā)。三者互相配合才能完成可靠、快速的數(shù)據(jù)傳輸。其中USB設(shè)備驅(qū)動程序Cygnal公司已經(jīng)提供。這里所要編寫的是剩下的兩部分。一部分為單片機MSP430F13X的串行通信程序,即對波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、有無奇偶校驗等通信協(xié)議的設(shè)計及單片機串行通信功能控制器的設(shè)置;另一部分為主機對CP2101的通信程序,這部分要在VC++環(huán)境中調(diào)用API函數(shù)實現(xiàn)。

3.1 單片機程序設(shè)計

　　在IAR EmbeddedWorkbench嵌入式集成開發(fā)環(huán)境中,編寫單片機通信程序,可實現(xiàn)在線編輯修改。MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設(shè)計的,使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的高效率的仿真指令[7]。以下為系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的部分應(yīng)用程序(包括初始化及觸發(fā)UART端口程序)：

#include “msp430x13x.h”
/************************* 串口 ***********************/
void send_byte(char sdata){
TXBUF0 = sdata; /* 發(fā)送數(shù)據(jù)緩存(UTXBUF0) */
while ((IFG1 & UTXIFG0) == 0); /*目的操作數(shù)位測試,發(fā)送中斷標(biāo)志*/
}
/************************** main ***********************/
void main (void){
char a;
uint a=0x0055;
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;/*?？撮T狗,WDTCTL看門狗寄存器*/
UCTL0 = CHAR; /*8位接收控制寄存器URCTL 線路空閑異步無反饋8位1位停止位無校驗位*/
UTCTL0 = SSEL0; /*發(fā)送控制寄存器UTCTL0,
UCLK = ACLK時鐘*/
UBR00 = 0x0D; /*32Kb/ 2400b = 13.65,波特率選擇寄存器*/
UBR10 = 0x00; /* 高字節(jié)*/
UMCTL0 = 0x6B; /*調(diào)節(jié)*/
ME1 = UTXE0 + URXE0; /*開 USART0 TXD/RXD 接收/發(fā)送允許*/
IE1 = URXIE0; /*開 USART0 RX 接收中斷允許位*/
P3SEL = 0x30; /*P3.4,5 = USART0 TXD/RXD,選擇外圍模塊功能*/
P3DIR = 0x10; /*目標(biāo)操作數(shù)置位, P3.4=1,輸出模式*/
_EINT(); /*開中斷*/
// 主循環(huán)
for (;;)
{ send_byet(a++);}
}

圖1 硬件電路

3.2 USB設(shè)備驅(qū)動程序的安裝

　　當(dāng)把開發(fā)板接到主機的USB端口時系統(tǒng)會提示發(fā)現(xiàn)新硬件,并要求安裝驅(qū)動程序：

　　先安裝CP2101的驅(qū)動程序CP2101_Drivers.exe到C:CygnalCP2101,然后運行Setup.exe到C:Program FilesUSB to RS-232 Bridge Controller。

　　完成上面兩步的安裝后,在系統(tǒng)的設(shè)備管理器中會看見CP2101虛擬的那個COM口。在以后的設(shè)計中就是對這個口進行操作。此時可以應(yīng)用串口調(diào)試助手調(diào)試下位機程序,接收發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 主機應(yīng)用程序設(shè)計

　　主機應(yīng)用程序的編寫使用VC++編譯環(huán)境中的API(應(yīng)用程序設(shè)計接口)函數(shù)實現(xiàn)。應(yīng)用程序的設(shè)計方法與串口編程類似。首先必須查找設(shè)備并打開設(shè)備的句柄,然后進行讀寫和控制操作,最后是關(guān)閉設(shè)備句柄。為了提高效率,可使用多線程技術(shù)實現(xiàn)讀寫[8]。具體步驟如下：

　?、?把CP2101的動態(tài)鏈接庫CP2101.DLL文件拷貝到Windows,winnt或者system32路徑下。當(dāng)程序運行時就能調(diào)用CP2101.DLL。
　?、?在Visual Studio6.0中打開CP2101SetIDs.dsw,選擇Release或者Debug建立CP2101.EXE工程文件。
　?、?在VC++6.0中鏈接CP2101.LIB,這時就可以應(yīng)用CP2101的動態(tài)鏈接庫了。
　?、?在VC++里進行編程,用API功能函數(shù)對USB堆棧、CP2101的EEPROM及數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議等進行編輯。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢時,應(yīng)用CP2101_Close()函數(shù)關(guān)閉設(shè)備句柄?？梢愿鶕?jù)實際應(yīng)用修改CP2101的VID和PID,并用相應(yīng)函數(shù)寫進CP2101的EEPROM中。但須注意的是,修改后要用CP2101_Rest()函數(shù)使CP2101復(fù)位并重新安裝驅(qū)動程序。

4 結(jié)論

　　通過試驗證明,本設(shè)計能夠很好地完成USB通信,達到了預(yù)期的目的。應(yīng)用超低功耗MSP430微控制器與CP2101實現(xiàn)USB通信接口設(shè)計,具有體積小、功耗低、開發(fā)簡單、可靠性高、移植性強等特點。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很大的優(yōu)越性。這種設(shè)計可以加以推廣應(yīng)用到其它便攜式設(shè)備開發(fā)中。