基于USB接口的高增益數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　信號調(diào)理電路主要包括模擬信號多路選擇、濾波和信號放大等組成部分，電路如圖3所示。

　　系統(tǒng)電路設(shè)計中，只使用了單片機(jī)C8051F000本身自帶的一路模擬輸入AIN0；在單片機(jī)外圍用多路模擬開關(guān)CD4051擴(kuò)展了8路模擬輸入。當(dāng)單片機(jī)給CD4066的引腳CONT1輸入一個低電平、給引腳CONT2輸入一個高電平時，CD4066的引腳IN1和OUT1之間斷開、引腳IN2和OUT2之間短接，運(yùn)算放大器ICL7650的負(fù)端輸入與它的輸出斷開，此時ICL7650對它的輸入信號放大8倍；當(dāng)單片機(jī)給CD4066的引腳CONT1輸入一個高電平、引腳CONT2輸入一個低電平時，CD4066的引腳IN1和OUT1之間短接、引腳IN2和OUT2之間斷開，ICL7650的負(fù)端輸入與它的輸出直接短接，此時ICL7650和它的外圍電路一起組成了一個電壓跟隨器，只是增大A/D轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，并不對它的輸入信號進(jìn)行增益放大。

　　C8051F000片內(nèi)集成的增益放大器PGA編程范圍為0.5～16，當(dāng)ICL7650作為一個電壓跟隨器時，系統(tǒng)可編程增益范圍為0.5～16；當(dāng)ICL7650對輸入信號進(jìn)行8倍放大時，系統(tǒng)可編程增益范圍為4～128，由此可見，系統(tǒng)可編程增益范圍較寬，滿足大多數(shù)情況下增益放大需要。

　　2 軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)固件程序，USB驅(qū)動程序及其鏈接庫，及用戶應(yīng)用程序。為了降低開發(fā)難度及縮短開發(fā)周期，系統(tǒng)采用了周立功公司開發(fā)的D12 SMART套件中的USB驅(qū)動程序及其鏈接庫[3]，該鏈接庫為用戶應(yīng)用程序提供了API函數(shù)，在編寫應(yīng)用程序時，只需調(diào)用API函數(shù)與采集系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)，而不需要關(guān)心具體的USB通訊協(xié)議。

　　單片機(jī)固件設(shè)計采用中斷驅(qū)動方式。CPU在前臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, USB傳輸則在后臺進(jìn)行, 而其中斷和主循環(huán)的數(shù)據(jù)交換則通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行。這樣既保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性，又獲得了最佳的傳輸速率。固件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

　　中斷服務(wù)程序主要負(fù)責(zé)從PDIUSBD12收集數(shù)據(jù), 將建立包和OUT數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)體，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位；而主循環(huán)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)標(biāo)志位區(qū)分是標(biāo)準(zhǔn)請求還是廠商請求，進(jìn)而調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)請求處理程序和廠商請求處理程序。其中標(biāo)準(zhǔn)請求處理程序主要負(fù)責(zé)在設(shè)備枚舉過程中主機(jī)為識別設(shè)備而發(fā)送的請求, 主要包括讀取USB設(shè)備描述符、給USB設(shè)備分配地址、配置USB設(shè)備等功能。只有在計算機(jī)與USB設(shè)備建立鏈接之后，計算機(jī)才能識別出USB設(shè)備，與USB設(shè)備進(jìn)行通訊。而廠商請求處理中是自行定義的請求處理函數(shù), 用來處理計算機(jī)發(fā)送給采集系統(tǒng)的各個設(shè)定命令，主要包括設(shè)定采集系統(tǒng)的量程、讀取通道采樣數(shù)據(jù)等命令。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求是在枚舉過程中由安裝在PC機(jī)中的USB驅(qū)動程序發(fā)送給USB設(shè)備的，而廠商請求是由用戶應(yīng)用程序通過調(diào)用USB鏈接庫提供的API函數(shù)將命令傳遞到功能驅(qū)動程序后, 通過相應(yīng)例程發(fā)送到USB設(shè)備的。

　　PDIUSBD12 命令接口是一套訪問PDIUSBD12 所有功能的處理函數(shù)，主要包括對PDIUSBD12設(shè)置地址、設(shè)置端點(diǎn)使能、設(shè)置模式、讀中斷寄存器、選擇端點(diǎn)、讀端點(diǎn)狀態(tài)、讀取緩沖區(qū)、清緩沖區(qū)等操作。當(dāng)固件中的其它程序需要對PDIUSBD12 進(jìn)行操作時, 只須調(diào)用其中相應(yīng)的子程序即可。

　　硬件提取層是固件中的最底層代碼, 直接對PDIUSBD12訪問，其執(zhí)行與具體硬件電路有關(guān)，使用的單片機(jī)不同, 或者實(shí)現(xiàn)的設(shè)備功能不同時這部分代碼也有所不同。

　　3 結(jié)束語

　　系統(tǒng)采用高速SOC單片機(jī)C8051F000和PDIUSBD12實(shí)現(xiàn)了寬量程的數(shù)據(jù)采集和基于USB接口的數(shù)據(jù)傳輸，基于該方案的采集系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗室調(diào)試通過，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和傳輸。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用了C8051F000片內(nèi)集成的增益放大器PGA，并結(jié)合外圍增益放大電路使系統(tǒng)的最大增益放大倍數(shù)達(dá)到了128倍，從而使系統(tǒng)能完成較寬范圍內(nèi)的電壓信號采集；系統(tǒng)在PDIUSBD12與單片機(jī)之間的接口電路設(shè)計中采用了單地址數(shù)據(jù)總線方案，相對于通常所采用的多路地址/數(shù)據(jù)總線方式大大減少了單片機(jī)I/O引腳的占用。