STM32F103x的USB多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言
    目前，在工業(yè)和許多其他場(chǎng)合依然使用基于PCI板卡、ISA板卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，價(jià)格昂貴、接插不方便。USB(Universal Serial Bus，通用串行總線(xiàn))是計(jì)算機(jī)上的一種新型接口技術(shù)，它使得計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備的連接十分方便。USB具有高效、快速、價(jià)格低廉、體積小和支持熱拔插等優(yōu)點(diǎn)，使其成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新寵兒。然而當(dāng)前的USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備大多采用的是專(zhuān)門(mén)的USB接口芯片，而且根據(jù)不同的需求，需要外擴(kuò)一定數(shù)量的A／D 轉(zhuǎn)換芯片，使得接口非常復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的基于Cortex-M3內(nèi)核的新型32 位微控制器STM32F103x作為主控芯片。該芯片內(nèi)部集成了全速USB2．0設(shè)備接口模塊和16通道的12位高精度A／D轉(zhuǎn)換器，單芯片即可完成設(shè)計(jì)任務(wù)，避免了復(fù)雜的接口電路設(shè)計(jì)，有效地降低了系統(tǒng)接口的復(fù)雜度和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度，在很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 主控芯片STM32F103x
    STM32F103x是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARMCortex-M3處理器核的微控制器。Cortex-M3是基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器，具有低功耗、少門(mén)數(shù)、短中斷延遲、低調(diào)試成本等眾多優(yōu)點(diǎn)。它是專(zhuān)門(mén)為在微控制器系統(tǒng)、汽車(chē)電控系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計(jì)的，大大簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體。STM32F103x微控制器采用了先進(jìn)的 Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)，具有豐富的性能出眾的片上外設(shè)，包括16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換器、7通道的DMA控制器、16位定時(shí)器、USART接口、 CAN接口(2．0B)和USB2．0全速接口(12 Mbps)等。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包含5個(gè)模塊：信號(hào)輸入接口模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理模塊、USB2．0通信模塊和上位機(jī)模塊。其中的信號(hào)輸入接口模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離接入；信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大或衰減，以適應(yīng)A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換量程；數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理模塊和USB2．0通信模塊實(shí)際是由微控制器 STM32F103x獨(dú)自實(shí)現(xiàn)的。STM32F103x通過(guò)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò) USB2．0全速接口傳送到上位機(jī)。上位機(jī)模塊主要是對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理。由于大量的工作都是在STM32F103x內(nèi)部完成的，只需通過(guò)簡(jiǎn)單的寄存器設(shè)置和程序設(shè)計(jì)即可完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸過(guò)程，這在很大程度上優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2．2 STM32F103x的ADC模塊
    STM32F103x系列微控制器所帶的2個(gè)12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有16個(gè)外部通道，可測(cè)量16個(gè)外部信號(hào)源。各通道的A／D 轉(zhuǎn)換可以是單次、連續(xù)、掃描或不連續(xù)模式執(zhí)行，其轉(zhuǎn)換結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。ADC轉(zhuǎn)換頻率最高可達(dá)1 MHz，且每個(gè)通道的采樣間隔時(shí)間均可獨(dú)立編程設(shè)置。在通道轉(zhuǎn)換期間，ADC能產(chǎn)生DMA請(qǐng)求，使DMA來(lái)傳輸ADC轉(zhuǎn)換值，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?ADC模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2．3 STM32F103x的USB2．0全速設(shè)備接口模塊
    USB接口模塊為上位機(jī)和由微控制器實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)備之間提供了符合USB規(guī)范的通信連接。USB接口模塊通過(guò)和微控制器共享一塊專(zhuān)用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和系統(tǒng)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。這塊專(zhuān)用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小由所使用的端點(diǎn)數(shù)目和每個(gè)端點(diǎn)最大的數(shù)據(jù)分組大小來(lái)決定，每個(gè)端點(diǎn)最大可使用512字節(jié)緩沖區(qū)，最多可用于16個(gè)單向或8個(gè)雙向端點(diǎn)。USB接口模塊根據(jù)UJSB
規(guī)范實(shí)現(xiàn)了令牌分組的檢測(cè)，數(shù)據(jù)發(fā)送／接收的處理和握手分組的處理。整個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式由硬件自動(dòng)生成，其中包括CRC的生成和校驗(yàn)。USB2．0全速設(shè)備接口模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括設(shè)備固件程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)兩部分。
3．1 設(shè)備固件程序
    設(shè)備固件程序設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要部分是ADC模塊的配置和USB模塊的配置與通信。
    (1)ADC模塊的配置
    意法半導(dǎo)體公司針對(duì)ARM的32位STM32F103x系列MCU提供了固件庫(kù)。該固件庫(kù)提供了包括ADC在內(nèi)的各種功能模塊的軟件使用接口，使用該固件庫(kù)可以有效節(jié)省用戶(hù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和調(diào)試時(shí)間。利用該庫(kù)，本設(shè)計(jì)中ADC的配置代碼如下：

    ADC校準(zhǔn)之后通過(guò)函數(shù)ADC_SoftwareStart-ConvCmd(ADC1，ENABLE)即可啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。
    (2)USB模塊的配置與通信
    意法半導(dǎo)體公司還提供了針對(duì)STM32F系列的USB開(kāi)發(fā)工具包。該工具包是一個(gè)完整的固件和軟件包，包括所有USB傳輸方式的范例，大大減少了開(kāi)發(fā)人員的工作量。利用USB工具包主要完成對(duì)IJSB模塊的配置及與USB主機(jī)(即上位機(jī))之間的通信。
    USB規(guī)范定義了4種數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型：控制傳輸、塊傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。塊傳輸適用于傳輸大量的且對(duì)傳輸時(shí)間和傳輸速率均無(wú)要求的數(shù)據(jù)；中斷傳輸適用于傳輸少量或中量的且對(duì)傳輸時(shí)間有要求的數(shù)據(jù)；同步傳輸適用于傳輸大量的，速率恒定的且對(duì)傳輸時(shí)間有要求的數(shù)據(jù)；控制傳輸適用于傳輸少量的且對(duì)傳輸時(shí)間和傳輸速率均無(wú)要求，但必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />    在本設(shè)計(jì)中，端點(diǎn)0為控制傳輸端點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備上電后的配置過(guò)程；端點(diǎn)1為OUT中斷傳輸端點(diǎn)，用以接收上位機(jī)發(fā)送的命令，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程的控制；端點(diǎn)2為IN塊傳輸端點(diǎn)，將數(shù)據(jù)采集結(jié)果實(shí)時(shí)地傳送到上位機(jī)，供上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。利用意法半導(dǎo)體公司提供的USB開(kāi)發(fā)工具包并參照范例，修改一些描述符(設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符和端點(diǎn)描述符等)和設(shè)備復(fù)位函數(shù)，添加相應(yīng)的端點(diǎn)傳輸中斷服務(wù)程序等，即可方便地實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的 USB設(shè)備開(kāi)發(fā)。端點(diǎn)2的配置代碼如下：

    在設(shè)置端點(diǎn)2發(fā)送有效之后，USB模塊可自動(dòng)完成端點(diǎn)2緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送。
3．2 上位機(jī)應(yīng)用程序
    本設(shè)計(jì)采用一種使用NI-VISA和LabVIEW進(jìn)行USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)程序開(kāi)發(fā)的快速簡(jiǎn)單而且有效的方法，從而避開(kāi)傳統(tǒng)的Windows編程技術(shù)。通過(guò)在LabVIEW下調(diào)用NI-VISA子控件程序，可以方便地實(shí)現(xiàn)與USB設(shè)備的通信和應(yīng)用程序界面的開(kāi)發(fā)。
    VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一個(gè)用來(lái)與各種儀器總線(xiàn)進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口(API)，不受平臺(tái)、總線(xiàn)和環(huán)境的限制。在利用NI-VISA完成對(duì) USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)后，即可在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境中直接使用VISA面板對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行控制和通信。LabVIEW是當(dāng)今國(guó)際上唯一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言，能方便、快捷地進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)利用Lab-VIEW設(shè)計(jì)的USB多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用戶(hù)界面如圖4所示。

    本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)16路外部信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。圖4中在實(shí)時(shí)波形顯示區(qū)域，可以實(shí)時(shí)地顯示4個(gè)通道的波形曲線(xiàn)。這4個(gè)通道通過(guò)選擇可以是16個(gè)通道中的任意一個(gè)通道。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，能觀測(cè)到每一路數(shù)據(jù)采集的結(jié)果；在左側(cè)的控制及狀態(tài)顯示區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備選擇、采集過(guò)程的控制以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作狀態(tài)顯示。

結(jié) 語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于STM32F103x的USB多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以STM32F103x微控制器為主控芯片實(shí)現(xiàn)了外部信號(hào)的調(diào)理、采集、預(yù)處理和USB 數(shù)據(jù)傳輸，以及上位機(jī)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。主控芯片STM32F103x內(nèi)部集成了豐富的功能模塊，使系統(tǒng)無(wú)需外擴(kuò)大量芯片而能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，降低了開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度和成本，達(dá)到了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。