基于單片機(jī)和USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究中，常利用PC或工控機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以獲得所需要的控制信息和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多以ISA，EISA或PCI插卡的形式完成數(shù)據(jù)傳輸，這種方式存在安裝麻煩，受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)。由于通用串行總線(Universal Serial Bus．USB)具有自動(dòng)被系統(tǒng)識(shí)別．自動(dòng)安裝驅(qū)動(dòng)程序、自行進(jìn)行系統(tǒng)配置，以及支持不同速率的同步和異步傳輸方式，支持熱插拔和即插即用(Plug and Play，PNP)等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。目前實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)傳送多采用專用的USB接口芯片，文獻(xiàn)采用的PDIUSBDl2可支持USBl．1協(xié)議，文獻(xiàn)E37采用的接口芯片為USBl00也僅支持USBl．1協(xié)議，文獻(xiàn)采用CP2102符合USB2．0協(xié)議，其通用的驅(qū)動(dòng)程序可將設(shè)備作為虛擬的COM端口設(shè)備進(jìn)行操作，文獻(xiàn)采用Philips公司ISPl581芯片作為USB2．0的接VI芯片’。這里采用Cypress公司的CY7C68013作為USB接口芯片，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)和USB2．0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單通道模擬信號(hào)的采集，主機(jī)應(yīng)用程序負(fù)責(zé)啟動(dòng)和停止采樣，采樣間隔時(shí)間由主機(jī)應(yīng)用程序設(shè)置調(diào)整，采樣數(shù)據(jù)傳給主機(jī)應(yīng)用程序顯示并保存。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)硬件組成
    整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖l所示。AT89C52為主控單片機(jī)，負(fù)責(zé)控制A／D轉(zhuǎn)換、上傳采集數(shù)據(jù)、接收并執(zhí)行主機(jī)的命令。CY7C68013為USB接口芯片。A／D轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司生產(chǎn)的TLC549，AD780是一款高精度參考電壓芯片，可為TLC549提供2．5 V或 者3．0 V的參考電壓。系統(tǒng)+5 V電源由主機(jī)的USB 接口提供，CY7C68013所需的電源為+3．3 V，由+5 v 電源接穩(wěn)壓芯片APlll7提供，圖中沒有畫出。

1．2 TLC549
    TLC549是以8位開關(guān)電容逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的CMOS A／D轉(zhuǎn)換器，將其設(shè)計(jì)成能通過(guò)三態(tài)輸出與微處理器或外圍設(shè)備串行接VI。TLC549用輸入／輸出時(shí)鐘(I／O CLOCK)和芯片選擇(CS)輸入作數(shù)據(jù)控制，轉(zhuǎn)換結(jié)果由DATAOUT引腳輸出。I／o CLOCK端的最高頻率可達(dá)1．1 MHz。TLC一549片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘工作在4 MHz(不需要外部時(shí)鐘)。片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘使內(nèi)部器件的操作獨(dú)立于串行輸入／輸出時(shí)序并允許TLC549像許多軟件和硬件所要求的那樣工作。I／O CLOCK和內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送，使得TLc549可實(shí)現(xiàn)40 kHz的采樣頻率。TLC549具有通用控制邏輯及自動(dòng)工作或在微處理器控制下工作的片內(nèi)采樣／保持電路，差分高阻抗基準(zhǔn)電壓輸入端，易于實(shí)現(xiàn)比例轉(zhuǎn)換的高速轉(zhuǎn)換器，定標(biāo)及隔離電路。整個(gè)開關(guān)電容逐次逼近轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計(jì)允許在小于17μs的時(shí)間內(nèi)，以最大誤差±0．5為最低有效位的精度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。
1．3 CY7(368013及其固件程序
    EZ—USB FX2系列芯片CY7C68013是業(yè)界第一個(gè)支持USB2．0，同時(shí)向下兼容USBl．1規(guī)范的單片機(jī)，為描述方便以下簡(jiǎn)稱該芯片為FX2。FX2支持全速傳輸(12 Mb／s)和高速傳輸(480 Mb／s)，該芯片將USB2．O收發(fā)器、串行接口引擎SIE、增強(qiáng)的8051內(nèi)核、GPIF等集成于一體。FX2內(nèi)含4 KB的端點(diǎn)緩沖區(qū)F1FO，可以被配置為具有不同大小緩沖區(qū)的IN或OUT端點(diǎn)(EP2，EP4，EP6，EP8)，具有USB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸方式，即控制方式、中斷方式、批量傳輸、和同步傳輸方式。Cypress公司為FX2提供了完善的軟件開發(fā)工具包，降低了開難度，加快了開發(fā)進(jìn)度。
    FX2可以工作在3種不同的模式下完成USB數(shù)據(jù)的傳輸，即：Ports模式、GPIF模式和Slave FIFO模式。Ports模式下其uSB數(shù)據(jù)的傳輸主要在FX2的8051內(nèi)核參與下完成，數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)執(zhí)行指令實(shí)現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)的傳輸率比較低，對(duì)大批量數(shù)據(jù)傳輸一般采用后兩種方式。GPIF方式，稱為通用可編程接口方式，在此模式下，F(xiàn)X2的FIFO是由內(nèi)部的GPIF控制的，F(xiàn)X2利用由軟件編程輸出讀寫控制波形讀取FIFO標(biāo)志，控制FIFO的選通，并且對(duì)外部設(shè)備提供了用戶專用接口，可以對(duì)許多通用總線接口進(jìn)行訪問(wèn)，如ASIC，DSP和存儲(chǔ)器等。文獻(xiàn)利用FX2的GPIF方式構(gòu)建了LISB數(shù)據(jù)傳輸通道。Slave FIFO方式是將FX2的FIFO作為外部控制器(如FPGA或單片機(jī))的從屬FIFO，外部控制器可像普通FIFO操作一樣對(duì)FX2的FIFO進(jìn)行讀寫，而不考慮該包的大小，傳輸速率可明顯提高，文中FX2在Slave FIFO模式下工作。FX2有3種封裝形式：128引腳、100引腳和56引腳，這里選用FX2的56引腳的封裝形式。
    FX2芯片在使用時(shí)必須先下載固件程序，固件程序主要負(fù)責(zé)完成芯片初始化，對(duì)芯片進(jìn)行必要的配置、處理設(shè)備請(qǐng)求、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)认鄳?yīng)工作。用戶通過(guò)編寫適當(dāng)?shù)墓碳绦蛲瓿蓪?duì)FX2的設(shè)置。Cypress公司提供了一個(gè)固件程序開發(fā)框架可以大大簡(jiǎn)化FX2芯片固件程序的開發(fā)難度。通過(guò)編寫用戶初始化函數(shù)TD_Init()，用戶可以規(guī)定各種端點(diǎn)資源的使用以及配置外圍接口的輸入／輸出等。其主要配置語(yǔ)句如下：

    [!--empirenews.page--]
    固件程序?qū)X2配置為異步Slave FIFl0模式，總線寬度8位，在4個(gè)端點(diǎn)中，EP4和：EP8未被使用，EP2和EP6的配置如表1所示。由于采用自動(dòng)輸入／輸出模式，主機(jī)和單片機(jī)通過(guò)旁路FX2的CPU直接連接，所有數(shù)據(jù)被直接通過(guò)FIFO管道提交，不需固件程序干預(yù)。在FX2的slave FIF0模式下，F(xiàn)IFOADR[1：0]引腳作為地址線選擇某個(gè)端點(diǎn)，SLCS相當(dāng)于片選信號(hào)，SLwR(寫)與單片機(jī)的wR引腳相連，SLRD(讀)和SLOE(輸出使能)與單片機(jī)的RD引腳相連。單片機(jī)通過(guò)訪問(wèn)地址為0x00的外部存儲(chǔ)器的方式就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)EP2的訪問(wèn)，同理可訪問(wèn)EP6端點(diǎn)。

    單片機(jī)通過(guò)FX2的3個(gè)標(biāo)志引腳(FALGA，F(xiàn)LAGB，F(xiàn)LAGC)來(lái)全面掌握FX2的各端點(diǎn)FIFO的狀況。FLAGA定義為輸入端點(diǎn)EP6的滿標(biāo)志，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)滿時(shí)該引腳為低電平；FLAGB被定義為輸出端點(diǎn)EP2的空標(biāo)志，當(dāng)主機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)被讀空時(shí)該引腳為低電平；FLAGC定義為當(dāng)EP2端點(diǎn)整個(gè)FIF0中的字節(jié)數(shù)大于等于1時(shí)為低電平。假設(shè)當(dāng)前主機(jī)沒有傳送命令，則FLAGC為高電平，當(dāng)主機(jī)發(fā)送命令后，EP2的字節(jié)數(shù)大于等于1，則FLAGC變?yōu)榈碗娖?。這樣在FALGC引腳上產(chǎn)生了一個(gè)下降沿，將此引腳與單片機(jī)的INTO引腳相連，則當(dāng)主機(jī)發(fā)送命令后單片機(jī)會(huì)觸發(fā)INT0中斷，在INTO的中斷處理程序中單片機(jī)讀取并執(zhí)行傳來(lái)的命令。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 驅(qū)動(dòng)程序
    在EZ—USB FX2開發(fā)包中，提供有通用的驅(qū)動(dòng)程序包，對(duì)該程序包稍加修改就可生成一個(gè)具有下載固件并完成設(shè)備重枚舉功能的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。文獻(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)步驟有詳細(xì)的記述，這里采用的就是這個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序(GPD)。
2．2 主機(jī)應(yīng)用程序
    主機(jī)應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)向設(shè)備發(fā)送命令數(shù)據(jù)包，接收設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，主機(jī)應(yīng)用程序通過(guò)通用驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成對(duì)設(shè)備的控制和通信。應(yīng)用程序采用VC6．O編寫，與設(shè)備通信時(shí)，首先通過(guò)調(diào)用win32函數(shù)CreateFile()來(lái)取得訪問(wèn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的句柄。該函數(shù)的語(yǔ)句實(shí)例如下：

    用戶得到設(shè)備句柄后，就可以使用win32函數(shù)DevicelontroI()來(lái)向設(shè)備提交相應(yīng)的IOCTL控制碼，進(jìn)行讀寫和控制操作，完成相應(yīng)操作后應(yīng)用程序通過(guò)Win32函數(shù)CloseHandle()關(guān)閉設(shè)備句柄結(jié)束1次操作。以下是部分操作的代碼實(shí)例：

[!--empirenews.page--]
    應(yīng)用程序中有兩個(gè)線程，輔助線程為采樣線程，采樣線程的流程如圖2所示。

    采樣線程負(fù)責(zé)從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，并通過(guò)消息傳送機(jī)制與主線程通信；主線程負(fù)責(zé)采樣數(shù)據(jù)的顯示、存盤，向設(shè)備發(fā)送命令數(shù)據(jù)包，以及啟動(dòng)／停止采樣線程。當(dāng)執(zhí)行啟動(dòng)采樣命令時(shí)，主線程先向設(shè)備發(fā)送啟動(dòng)命令數(shù)據(jù)包，然后啟動(dòng)采樣線程準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；當(dāng)執(zhí)行停止采樣命令時(shí)，主線程先向設(shè)備發(fā)送停止命令數(shù)據(jù)包，然后停止采樣線程結(jié)束數(shù)據(jù)的接收。命令數(shù)據(jù)包大小為4 B．包含有命令字和采樣間隔時(shí)間參數(shù)等信息。
2．3 單片機(jī)程序
    如上所述，單片機(jī)的INTO中斷一旦觸發(fā)，表示主機(jī)有命令數(shù)據(jù)包傳送到。在INTO的中斷處理程序中，單片機(jī)讀取EP2端點(diǎn)的數(shù)據(jù)直到EP2端點(diǎn)為空(FLAGB為低電平)，獲得上位機(jī)發(fā)送的命令數(shù)據(jù)包。若接收到啟動(dòng)命令，則根據(jù)命令數(shù)據(jù)包的采樣間隔時(shí)間參數(shù)來(lái)設(shè)置計(jì)數(shù)變量和定時(shí)器T0的初值并啟動(dòng)T0；若接收到的命令為停止命令，則停止定時(shí)器TO。在TO的中斷處理程序中若相應(yīng)的計(jì)數(shù)變量達(dá)到設(shè)定值，則完成A／D轉(zhuǎn)換、讀取數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)寫入EP6端點(diǎn)的操作。計(jì)數(shù)變量和TO的初值均根據(jù)命令數(shù)據(jù)包的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因此設(shè)備的采樣間隔時(shí)間可以由主機(jī)程序進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié) 語(yǔ)
    工作于Slave FIFo方式下的FX2相當(dāng)于在外部控制和主機(jī)之間構(gòu)造了一個(gè)的數(shù)據(jù)管道。通過(guò)對(duì)FX2的FIFO標(biāo)志引腳FLAGA，F(xiàn)ALGB，F(xiàn)LAGc的配置，使該芯片可以方便地與單片機(jī)進(jìn)行連接，單片機(jī)通過(guò)外部中斷獲知主機(jī)數(shù)據(jù)的到達(dá)，通過(guò)其他標(biāo)志引腳獲得端點(diǎn)FIFO的信息，單片機(jī)和主機(jī)通信時(shí)，感覺不到FX2的存在。基于單片機(jī)和Fx2的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)擴(kuò)展方便、編程簡(jiǎn)單、無(wú)需外接電源、采樣間隔時(shí)間由主機(jī)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的小型化和便攜化，在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集，教學(xué)實(shí)驗(yàn)，儀器儀表等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。