結(jié)合USB和微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　1 引言

　　現(xiàn)代工控自動化和科學研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高， 在一些實時信號測量和圖像處理等領域要進行高速精確數(shù)據(jù)采集，通用串行總線（USB 數(shù)據(jù)總線）已經(jīng)在各種計算機中得到普及，并成為計算機的標準外設，它具有安裝方便、通用、高速傳輸、支持熱插拔即插即用可開發(fā)成本低等優(yōu)點。在工控領域經(jīng)常需要采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進行處理，工業(yè)控制中應用廣泛的是微處理器。USB 總線和微處理器結(jié)合，非常適合現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等，在工業(yè)控制中有廣闊的應用前景。文中介紹一種USB采集系統(tǒng)，是二者有效結(jié)合使用的例子。

　　2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)概述

　　USB 控制器主要有兩種：一種是帶USB 接口的單片機（MCU）；另一種是專用的USB 接口芯片。本系統(tǒng)選擇專用的USB 接口芯片，這就必須有一個位處理器進行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。專用USB 接口芯片的優(yōu)點是價格便宜。接口方便和可靠性高，它尤其適合于產(chǎn)品的改型設計， 硬件上僅需對并行總線和中斷進行改動， 軟件則需要增加微處理器的USB 中斷處理和數(shù)據(jù)交換程序以及PC機的USB 接口通信程序，無需對原有產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作很大的改動。

　　一般USB 接口芯片都支持多種并行總線結(jié)構(gòu)， 可方便地與多種單片機接口。硬件設計中要注意USB 接口芯片的時鐘速度較高。如果芯片內(nèi)部沒有PLL 倍頻，則單片機晶體振蕩頻率應該注意與之匹配，USB 設備的軟件設計主要包括兩部分：

　　1）、USB 設備端的單片機軟件，完成USB 協(xié)議處理與數(shù)據(jù)交換以及其他應用功能軟件，完成USB 協(xié)議處理與數(shù)據(jù)交換以及其他應用功能程序；

　　2）、PC 機端的程序由USB 通信程序和用戶服務程序兩部分組成。

　　用戶服務程序通過USB 通信程序與系統(tǒng)USBDI（USB device interface）通信，由系統(tǒng)完成USB 協(xié)議處理與數(shù)據(jù)傳輸。PC 端程序的開發(fā)難度較大，而文中介紹的系統(tǒng)不需要用戶熟悉USB 協(xié)議以及Windows體系結(jié)構(gòu)等就可以很快開發(fā)。下面從硬件和軟件兩方面介紹一個便攜式USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)。

　　3 硬件設計

　　對于USB 接口芯片，選擇了USB100，它是目前開發(fā)較方便的USB 接口產(chǎn)品，不必為其編寫驅(qū)動程序。USB100 模塊的數(shù)據(jù)通信速度最高為8Mb/s，它是完全集成化的USB 通信接口模塊，完全滿足USB1.1 標準。內(nèi)部多達384 字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和128 字節(jié)的接收緩沖區(qū)，滿足高速通信與單片機接口的需要。單片機可選擇帶A/D、D/A 轉(zhuǎn)換的類型，也可以選擇普通單片機，然后再選擇A/D、D/A 模塊。

　　第1 種選擇高性能的單片機，例如ADμC812 作為系統(tǒng)處理器。ADμC812 在單個芯片內(nèi)集成了8 路12 位ADC 采集系統(tǒng)、2 路12 位DAC、80C52MCU 內(nèi)核、8kb 的閃速／ 電可擦除程序存儲器、640 字節(jié)的閃速／ 電可擦除數(shù)據(jù)存儲器、看門狗定時器、電源監(jiān)視器。I2C 兼容的SPI 和標準的UART 串行I/O 模塊及靈活的電源管理方案等等，真正實現(xiàn)了單片機應用系統(tǒng)的單片機。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

圖1 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　第2 種選用一般單片機作為處理器，例如At90s8515。At90s8515 是基于AVR 增強型RISC 結(jié)構(gòu)的高速低功耗8 位微處理器。

　　它提供8k 可下載閃存、512 字節(jié)EEPROM、512 字節(jié)SRAM、32 條多功能I/O 線以及可編程UART、帶有內(nèi)部震蕩器的可編程看門狗定時器。單片機選好之后，需要再選擇A/D、D/A 模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)板

　　圖2 中選擇具有8 通道12 位AD7888 A/D 轉(zhuǎn)換器和2 路12 位AD7274 D/A 轉(zhuǎn)換器。