基于USB2．0接口的瀝青拌和站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
    數(shù)據(jù)采集是指采集溫度、壓力、流量、位移等信號量．再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過程。相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前在統(tǒng)一的USB接口上實(shí)現(xiàn)了中低速外設(shè)的通用連接，例如鍵盤、鼠標(biāo)、游戲桿、顯示器、數(shù)字音箱及MODEM等。USBl．0的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到12 Mb／s．USB2．0的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)480 Mb，s，對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，有著不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。如何將USB2．0接口應(yīng)用到高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，是今后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)研究方向。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)采集瀝青拌和站主機(jī)送往打印機(jī)的數(shù)據(jù)，并將其傳到計(jì)算機(jī)供數(shù)據(jù)處理，如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
    圖2給出了現(xiàn)有的瀝青拌和站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖,是以8051單片機(jī)作為控制器，利用拌和站主機(jī)送往打印機(jī)的數(shù)據(jù)同步信號/STROBE，將打印數(shù)據(jù)暫存在采集系統(tǒng)的FIFO中．之后保存在FLASH AM29F040中，再利用標(biāo)準(zhǔn)串行接口傳送到主機(jī)。

    該設(shè)計(jì)對現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并提出一種基于USB2．0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用EZ_USB FX2系列器件CY7C68013，將串口改為USB2．0接口，同時(shí)充分利用EZ-USB的特性，在采集系統(tǒng)中去掉FIFO。其系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

    在系統(tǒng)中，USB接口器件EZ_USB FX2與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸方式采用塊傳輸(BULK rrransfer)的方式。設(shè)計(jì)中EZ_USBFX2的工作模式選用端口模式。去掉了FIFO，充分利用EZ-USB FX2內(nèi)部資源，將其內(nèi)部端點(diǎn)2作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)．大大簡化了硬件設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用AM29LV040．該Flash控制簡單，存儲(chǔ)容量大，非常適合此系統(tǒng)。
    系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)主要由電源模塊，時(shí)鐘模塊，復(fù)位電路。I2C總線模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，USB接口模塊及并口數(shù)據(jù)采集等部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集和上傳都是由EZ_USB FX2實(shí)現(xiàn)，外部存儲(chǔ)模塊由F3ash AM29LV040實(shí)現(xiàn)。
3．1 USB接口模塊
    D+．D-是與主機(jī)通訊的數(shù)據(jù)線，當(dāng)USB設(shè)備插上主機(jī)時(shí)．D+和D-上有一個(gè)壓差，主機(jī)就會(huì)發(fā)現(xiàn)外圍設(shè)備，讀取設(shè)備的。PID和VID，并載入相應(yīng)驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。由于系統(tǒng)使用的是外接+3．3 V電源，所以VBUS沒有連接。如果需要用總線供電，因?yàn)镃Y7C68013使用的是+3．3 V供電，而總線電壓是5 V，所以要經(jīng)過一個(gè)電壓變換，需將VBUS接至0 DC-DC變換器。圖4中SHIELD和GND之間的電阻和電容用于防止EMll和RFI。

3．2 并口輸入模塊
    該模塊由兩個(gè)并行接口組成，其連接電路如圖5所示。這是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的來源，即拌和站主機(jī)輸送打印數(shù)據(jù)的并口。其中的INO～I(xiàn)N7連在EZ-USB FX2的I／O端口PORTC上．STROBE信號作為中斷信號接到EZ-DSB FX2的外部中斷O上，STROBE由高到低的一次跳變引發(fā)一次中斷，執(zhí)行一次中斷處理程序。中斷處理程序中將PORTC上的數(shù)據(jù)暫存到FX2內(nèi)部斷點(diǎn)2中。為了在采集數(shù)據(jù)時(shí)不影響打印機(jī)的正常工作，將并口的其余信號接到PORTB上，在固件中對其設(shè)置。其中除PE、BUSY和SEL外均作為輸入，PE、BUSY和SEL作為輸出，PE和BUSY置低，SEL置高。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為3部分：固件程序設(shè)計(jì)、主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用程序。系統(tǒng)設(shè)計(jì)只做了固件程序的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)程序使用公司提供的通用驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序使用公司的應(yīng)用程序Control Panel調(diào)試。
    固件是運(yùn)行在CY7C68013上的程序，可采用匯編語言或C語言設(shè)計(jì)，其主要功能是負(fù)責(zé)初始化各硬件單元、控制CY7C268013接收并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請求、控制CY7C68013接收應(yīng)用程序的控制指令、通過CY7C68013存放數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳至PC等。只有在該程序運(yùn)行時(shí)，外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備。
    固件程序代碼的存儲(chǔ)位置：固件代碼固化到一片EEP-ROM中．外設(shè)加電后由FX2通過FC總線下載到片內(nèi)RAM后自動(dòng)執(zhí)行。
    設(shè)計(jì)采用利用現(xiàn)成的固件程序框架函數(shù)編寫固件程序，根據(jù)設(shè)備的需求添加響應(yīng)的代碼來完成特定的目的。其中基本的固件程序框架函數(shù)：
    void TD_Init(void) ／／該函數(shù)用來完成EZ-USB FX2的初始化
    void TD_Poll(void) ／／該函數(shù)在設(shè)備運(yùn)行時(shí)反復(fù)被調(diào)用，它包括完成用戶任務(wù)的函數(shù)
    BOOL TD_Resume(void)／／設(shè)備重啟后調(diào)用
    BOOL TD_Suspend(void) ／／設(shè)備進(jìn)入掛起狀態(tài)前調(diào)用在整個(gè)固件程序中，EZ-LISB FX2設(shè)備上電或復(fù)位后，首先初始化所有的內(nèi)部狀態(tài)變量，隨后調(diào)用TD_Init()函數(shù)，并開中斷,此時(shí)固件程序不斷檢測控制端口O是否收到SETUP包。一旦收到，固件程序就開始調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll()，其中用戶需要完成的功能代碼就在TD_Poll()函數(shù)中。調(diào)用完成后．重復(fù)檢測端口O是否收到SETUP包，若有，繼續(xù)執(zhí)行設(shè)備請求，調(diào)用TD_Poll()函數(shù)；否則，檢測USB核是否有USB掛起事件，若有，調(diào)用TD_Suspend()函數(shù)，其返回值為真時(shí)，檢測USB核是否有重新開始事件，若沒有，設(shè)備進(jìn)入掛起狀態(tài)，否則，凋用TD_Resume()，進(jìn)行下一次循環(huán)，當(dāng)TD_Sus-pend()函數(shù)返回值為假時(shí)，直接進(jìn)入下一次循環(huán)。固件程序流程如圖6所示。

    固件程序中定義了許多中斷處理函數(shù)，使用時(shí)可加入自己編寫的代碼，就可在不改變整個(gè)程序的前提下，僅通過改變相應(yīng)的模塊實(shí)現(xiàn)用戶的功能。設(shè)計(jì)中使用了外部中斷O，其優(yōu)先級最高，可以最大程度地避免數(shù)據(jù)丟失。在其相應(yīng)的中斷處理函數(shù)中，將來自打印機(jī)并口的數(shù)據(jù)采集到FX2的內(nèi)部緩沖區(qū)中。無中斷到來時(shí)，在TD_Poll()函數(shù)中，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫到Flash中。

5 結(jié)語
    提出一種基于USB2．0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了采集系統(tǒng)的硬件電路，并編寫了相應(yīng)的固件程序。大大提高傳輸速率，降低系統(tǒng)成本。其不足之處是采集速度不理想，雖然實(shí)現(xiàn)了高速采集的目的，但是距離USB2．O的最高傳輸速率還有差距，需要在以后的研究中，加以研究和改進(jìn)。