基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1　引　言
　　在智能儀器、信號(hào)處理以及工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域，都存在著數(shù)據(jù)的測(cè)量與控制問題，常常需要將外部的溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采集。目前常用的數(shù)據(jù)采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有ISA總線，PCI總線，422，485等接口形式的A／D采集卡，這種板卡不僅安裝麻煩，而且易受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制。通用串行總線（UniversalSerialBus，USB）的出現(xiàn)，很好地解決了以上問題。本文所設(shè)計(jì)的就是基于USB總線的快速12 b的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2　USB總線簡(jiǎn)介
　　USB總線是Intel，DEC，Microsoft，IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線接口規(guī)范，是為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)。USB具有較高的傳輸速度：USB協(xié)議1．1支持低速（1．5 Mb／s）和全速（12 Mb／s）2種傳輸模式，而2．0協(xié)議支持的速度提高到480 Mb／s。他的數(shù)據(jù)傳輸速度比標(biāo)準(zhǔn)串／并口高，且具有使用簡(jiǎn)單、支持即插即用、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。

　　USB接口采用4線電纜，其中2根信號(hào)線，1根電源線和1根地線，電源線可以向外設(shè)提供最大5 V，500 mA的電流。USB接口有4種傳輸方式：控制傳輸、批量傳輸、終端傳輸和同步傳輸，可以滿足不同傳輸?shù)男枰?BR>
3　USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　　整個(gè)系統(tǒng)主要由4部分組成：USB接口芯片及外圍電路、控制電路、數(shù)據(jù)緩沖電路和A／D轉(zhuǎn)換電路。USB接口芯片選擇了Cypress公司的EZ-USB 2131Q，該芯片內(nèi)嵌8051控制器，因此整個(gè)系統(tǒng)以EZ-USB控制器為核心，由EZ-USB經(jīng)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)緩沖電路的控制，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖器，當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖器存滿之后，通知EZ-USB控制器，由主機(jī)取出數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3．1　USB接口電路設(shè)計(jì)
　　EZ-USB2131Q是CYPRESS公司生產(chǎn)的EZUSB系列芯片的一種，該芯片集成了USB外設(shè)接口所需的功能電路，其原理框圖如圖2所示。

　　AN2131Q具有24個(gè)I／O引腳，16 b地址總線和8 b數(shù)據(jù)總線，可以進(jìn)行外部存貯器的擴(kuò)展。

　　圖2中的微處理器是一個(gè)具有快速執(zhí)行周期和加強(qiáng)特性的8051核，其性能是標(biāo)準(zhǔn)8051的5倍，指令系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容。他使用內(nèi)部RAM存儲(chǔ)固件和數(shù)據(jù)，上電后USB主機(jī)通過USB總線將固件和外設(shè)特性描述符下載到RAM中，然后重新連接，按照描述符中定義的外設(shè)特性完成重列舉。這使得USB有一個(gè)“軟”解決方案，即USB外設(shè)的設(shè)計(jì)者可以隨時(shí)設(shè)置和升級(jí)固件，不受端口數(shù)、緩沖大小、傳輸速度及傳輸方式的限制。

　　 本系統(tǒng)中EZ-USB的外圍電路主要包括EZ-USB芯片和PC機(jī)的接口電路、電源模塊及EZ-USB 供電電路、E²PROM枚舉電路（I²C總線上連接 E₂PROM存儲(chǔ)設(shè)備的PID，VID），其主要功能是保證EZ-USB芯片的正常工作并實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)的通訊；功能電路是利用他的I／O引腳實(shí)現(xiàn)的，由于EZ-USB的 I／O是可編程的，通過寄存器設(shè)置PA口的高4位和PB口為輸入，用來傳輸數(shù)據(jù)緩沖器中的12 b數(shù)據(jù)，利用 C口接收中斷和產(chǎn)生控制信號(hào)。

　　EZ-USB為塊傳輸、控制傳輸和中斷傳輸提供了16個(gè)端點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了塊傳輸方式，使用終端2-in來傳輸數(shù)據(jù)，允許的最大數(shù)據(jù)包為64 B；終端1-out和終端3-out輸出控制信號(hào)。

3．2　A／D轉(zhuǎn)換電路
　　系統(tǒng)中A／D轉(zhuǎn)換芯片采用了MAXIM公司的MAX122，該芯片是12 b的高速的A／D轉(zhuǎn)換器。在完全轉(zhuǎn)換模式下，他的轉(zhuǎn)換時(shí)間可以達(dá)到2．6μs，采樣率為333 kS／s。MAX122有5種工作模式，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用了模式2即連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。在這種模式下，每次轉(zhuǎn)換需要13～14個(gè)時(shí)鐘脈沖節(jié)拍，轉(zhuǎn)換可以不間斷地進(jìn)行，但是需要提供開始轉(zhuǎn)換使能信號(hào)，并且要保證使能信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)同步，讀信號(hào)和片選始終處于有效狀態(tài)。數(shù)據(jù)輸出使能信號(hào)一直有效，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。

3．3　控制電路及數(shù)據(jù)緩沖電路
　　A／D轉(zhuǎn)換器MAX122的采樣率較高，得到的數(shù)據(jù)不能通過USB總線直接傳送給主機(jī)，因此需要在A／D轉(zhuǎn)換器和主機(jī)之間連接數(shù)據(jù)緩沖器，A／D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在緩沖器中，當(dāng)緩沖器數(shù)據(jù)存滿之后，通知主機(jī)取走數(shù)據(jù)。這里的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用的是128 k8的靜態(tài)RAM，使用2片并接將數(shù)據(jù)線擴(kuò)展成16 b。

　　控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)中采用一片Altera公司的EPM7128設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制電路，該器件具有在線調(diào)試的功能，因此給設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。控制電路的原理框圖如圖3所示。

　　控制電路主要由以下部分組成：邏輯控制電路、時(shí)鐘電路、三態(tài)緩沖電路、時(shí)序邏輯控制電路和地址發(fā)生器。邏輯控制電路接收USB控制器發(fā)出的控制信號(hào)，產(chǎn)生三態(tài)緩沖電路和時(shí)鐘電路的控制信號(hào)；三態(tài)緩沖電路控制數(shù)據(jù)傳輸方向，是由MAX122傳輸?shù)絉AM，還是由RAM傳輸?shù)経SB控制器；時(shí)鐘電路用 來產(chǎn)生MAX122的時(shí)鐘信號(hào)CLKIN和轉(zhuǎn)換開始信號(hào)CONVST，以及地址發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)；時(shí)序邏輯電路調(diào)整相關(guān)信號(hào)之間的同步，保證電路的時(shí)序正確；地址21發(fā)生器由計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，提供RAM的讀寫地址信號(hào)。

　　系統(tǒng)的工作過程如下：控制電路接收到開始采集信號(hào)時(shí)，控制三態(tài)緩沖電路的數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)锳／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存入SRAM中，并且使時(shí)鐘電路產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換開始信號(hào)CONVST、時(shí)鐘CLKIN 信號(hào)和地址發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)及控制信號(hào)。CONVST和CLKIN信號(hào)還必須通過時(shí)序邏輯控制電路調(diào)整使2個(gè)信號(hào)同步，CONVST信號(hào)在下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)（CLKIN）上升沿來到之前保持低電平至少50 ns，確保轉(zhuǎn)換時(shí)間為13個(gè)時(shí)鐘周期。并且地址發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)也要和CONVST信號(hào)同步，使A／D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能存入正確的地址中。

　　控制電路接收到讀數(shù)據(jù)的信號(hào)時(shí)，便產(chǎn)生控制信號(hào)，使三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器的數(shù)據(jù)傳輸方向是從SRAM到USB控制器，地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址信號(hào)是SRAM的讀地址。當(dāng)?shù)刂钒l(fā)生器的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到1FFFFH（128 kb），即RAM的最后一個(gè)地址時(shí)，計(jì)數(shù)器發(fā)生溢出，產(chǎn)生溢出中斷信號(hào)INT0和INT1到USB控制器的PC口的第2位和第3位（設(shè)置為8051輔助功能位），當(dāng)USB接收到中斷信號(hào)之后，在中斷服務(wù)程序中，進(jìn)行相應(yīng)的讀處理。

　　SRAM的讀／寫是相互獨(dú)立的，由地址發(fā)生器產(chǎn)生地址信號(hào)，地址發(fā)生器由計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開始采集數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)RAM進(jìn)行寫操作，地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址信號(hào)清0，同時(shí)必須使能RAM的寫使能，在寫使能低有效時(shí)，數(shù)據(jù)就寫入SRAM。時(shí)鐘信號(hào)和A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘相一致，每產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)，地址自動(dòng)加1。當(dāng)采集結(jié)束時(shí)，主機(jī)發(fā)出命令取出數(shù)據(jù)，對(duì)RAM進(jìn)行讀操作，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)讀脈沖到達(dá)時(shí)，地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址信號(hào)清0，時(shí)鐘信號(hào)和USB控制器讀的周期相一致，每讀一個(gè)字節(jié)，地址自動(dòng)加1。

4　系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
　　USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其系統(tǒng)軟件包括3個(gè)方面：USB外設(shè)固件（Firmware）、主機(jī)操作系統(tǒng)上的用戶驅(qū)動(dòng)程序和用戶操作界面的應(yīng)用程序。

　　USB外設(shè)固件框架是由EZ-USB軟件開發(fā)包中提供的，根據(jù)用戶的需要填寫其中的函數(shù)，這些函數(shù)主要包括：
　　TD_＿Init（）（用于初始化Firmware的全局狀態(tài)變量）；
　　TD_＿Poll（）（用于調(diào)用實(shí)現(xiàn)外設(shè)主要功能的用戶子程序）。

　　這2個(gè)函數(shù)是用戶一定要填寫的。

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中TD_＿Init（）主要包括PA，PB和PC的初始化以及其他用到的寄存器的初始化。

　　TD_＿Poll（）主要包括控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。初始化時(shí)，必須按照一定的順序?qū)拇嫫鬟M(jìn)行操作。

　　另外，還必須注意INT0和INT1中斷響應(yīng)程序的 處理。
　　EZ-USB的用戶驅(qū)動(dòng)程序包括下載Fireware的驅(qū)動(dòng)程序和功能驅(qū)動(dòng)程序，前者稱為ezloader，后者稱為通用驅(qū)動(dòng)程序GPD。

　　用戶應(yīng)用程序的開發(fā)就是基于通用驅(qū)動(dòng)程序GPD的接口進(jìn)行的。用戶操作界面的應(yīng)用程序使用VC^＋＋6．0來實(shí)現(xiàn)，在應(yīng)用程序中對(duì)EZ-USB硬件進(jìn)行讀寫調(diào)用CreatFile，CloseFile，ReadFile，WriteFile，IOControl等對(duì)設(shè)備直接操作的函數(shù)。

5　結(jié)　語
　　本文系統(tǒng)介紹了基于USB接口的快速12 b數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了軟硬件的設(shè)計(jì)工作。由于采用了USB接口，使數(shù)據(jù)采集卡可以即插即用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)采集板卡插拔困難的不足，目前該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，采樣的精度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣榷歼_(dá)到了預(yù)期的目的，已經(jīng)用于測(cè)試測(cè)控系統(tǒng)中，效果很好。

參考文獻(xiàn)

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