基于USB接口的高增益數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究等各行業(yè)中，通常需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。目前常用的通過(guò)數(shù)據(jù)采集板卡采集的方法存在著以下缺點(diǎn)：安裝麻煩，易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)的失真,容易受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，可擴(kuò)展性差。而帶RS-232串口的數(shù)據(jù)采集器，在需要大批量、高速傳輸?shù)膱?chǎng)合下，其應(yīng)用也受到限制。通用串行總線USB（Universal Serial Bus）的出現(xiàn)，很好地解決了上述問(wèn)題，很容易實(shí)現(xiàn)便捷、高速、低成本、易擴(kuò)展、高可靠性的數(shù)據(jù)采集，代表了現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　USB總線傳輸速度快，為了充分發(fā)揮USB總線這一優(yōu)勢(shì)，易選用速度較快的微處理器。另外，USB接口設(shè)備是采用總線供電的，考慮到總線輸出功率有限，盡量采用集成度高的器件有利于降低USB總線的負(fù)荷。

　　USB接口模塊的選擇有兩種方案：一種是采用帶有USB接口的單片機(jī)；另一種是采用普通單片機(jī)和USB控制芯片。對(duì)于第一種方案，不需要設(shè)計(jì)單片機(jī)和USB控制芯片之間的接口電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，但是帶有USB接口的單片機(jī)種類(lèi)有限，從而限制了單片機(jī)的選擇。對(duì)于后一種方案，可以選擇所熟悉的單片機(jī)，以減小開(kāi)發(fā)難度，并縮短開(kāi)發(fā)周期。系統(tǒng)采用的是SOC單片機(jī)C8051F000，USB控制芯片采用PDIUSBD12。

　　C8051F000單片機(jī)[1]是四邊扁平貼片封裝，內(nèi)部集成了8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器, 可編程增益放大器PGA，自帶看門(mén)狗，具有32位數(shù)字I/O端口，體積小巧，集成度高，功耗較小，滿足USB總線供電的要求。而且，C8051F000單片機(jī)最大工作頻率可達(dá)到25MIPS，采用流水線結(jié)構(gòu)，是單指令周期單片機(jī)，運(yùn)行速度也較快，適于開(kāi)發(fā)USB設(shè)備。

　　PDIUSBD12 是Philips 公司推出的符合USB1.1版規(guī)范的帶并行總線的接口芯片。片內(nèi)集成了320B的FIFO存儲(chǔ)器，在批量模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn)1MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，集成了模擬收發(fā)器，串行接口引擎，串行接口引擎實(shí)現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層，包括并行/串行轉(zhuǎn)換、位填充/解除填充、CRC校驗(yàn)/產(chǎn)生、地址識(shí)別和握手評(píng)估/產(chǎn)生等,從而減小了PDIUSBD12驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的難度[2,3]。

　　系統(tǒng)硬件包括主MCU、USB接口電路、模擬信號(hào)輸入調(diào)理電路和電源轉(zhuǎn)換電路等組成部分，其工作原理圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)有8路模擬輸入，模擬輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路濾波、放大后送給C8051F000，此單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)USB接口傳送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)也可以通過(guò)USB接口向C8051F000發(fā)送命令。系統(tǒng)采用USB總線供電，由于USB總線只能提供＋5V供電，而單片機(jī)C8051F000所需要的典型供電電壓是3.3V，信號(hào)調(diào)理電路中的多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和運(yùn)算放大器所需要的供電電壓是＋9V和－5V，故須設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V、－5V和＋9V，以便給相應(yīng)的芯片提供電壓。其中USB接口電路和信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)是最為重要的兩個(gè)部分。

　　1.1 USB接口電路的設(shè)計(jì)

　　USB控制芯片PDIUSBD12與計(jì)算機(jī)及單片機(jī)之間的接口電路如圖2所示。USB總線共4條線，兩條電源線VCC和GND、兩條差分?jǐn)?shù)據(jù)線D＋和D－。為了防止在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程中電壓波動(dòng)，及附近大功率用電設(shè)備對(duì)電壓的影響，在USB總線的兩條電源線VCC和GND之間加了去耦電容。USB總線是采用差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，因此在任意時(shí)刻，只能有一個(gè)發(fā)送器或接收器。在D+/D－線上串接的兩個(gè)18Ω電阻，及下拉的兩個(gè)1M電阻是用來(lái)進(jìn)行阻抗匹配的。

　　PDIUSBD12的8根數(shù)據(jù)線D0～D7與單片機(jī)的8根數(shù)據(jù)線分別連接，實(shí)現(xiàn)PDIUSBD12與單片機(jī)之間8位數(shù)據(jù)的并行傳輸，PDIUSBD12的讀寫(xiě)引腳與單片機(jī)的I/O引腳相連，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)PDIUSBD12的讀寫(xiě)操作。PDIUSBD12的引腳A0是命令口和數(shù)據(jù)口的地址線，PDIUSBD12有兩種數(shù)據(jù)總線方式：多路地址/數(shù)據(jù)總線和單地址數(shù)據(jù)總線，為了盡量少占用單片機(jī)的I/O引腳，系統(tǒng)采用單地址數(shù)據(jù)總線，PDIUSBD12的引腳ALE接地，引腳A0與單片機(jī)的I/O引腳相連，A0為1時(shí)，總線D0～D7上傳輸?shù)氖敲?，A0為0時(shí)，總線D0～D7上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。PDIUSBD12的掛起引腳SUSPD和中斷引腳INT分別與單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳相連，以實(shí)現(xiàn)PDIUSBD12掛起及PDIUSBD12向單片機(jī)發(fā)出中斷。系統(tǒng)中PDIUSBD12的DMA功能沒(méi)有使用，引腳DMACK和EOT都通過(guò)一個(gè)上拉電阻連到電源。振蕩電路采用6MHz晶振，經(jīng)過(guò)PDIUSBD12內(nèi)部倍頻電路之后，PDIUSBD12內(nèi)部實(shí)際時(shí)鐘為24MHz 。引腳GL通過(guò)一個(gè)綠色指示燈和一個(gè)電阻連到電源，當(dāng)該儀器枚舉成功以后，該指示燈亮，當(dāng)計(jì)算機(jī)與該儀器進(jìn)行通訊時(shí)，此指示燈閃爍。

　　1.2 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

　　信號(hào)調(diào)理電路主要包括模擬信號(hào)多路選擇、濾波和信號(hào)放大等組成部分，電路如圖3所示。

　　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，只使用了單片機(jī)C8051F000本身自帶的一路模擬輸入AIN0；在單片機(jī)外圍用多路模擬開(kāi)關(guān)CD4051擴(kuò)展了8路模擬輸入。當(dāng)單片機(jī)給CD4066的引腳CONT1輸入一個(gè)低電平、給引腳CONT2輸入一個(gè)高電平時(shí)，CD4066的引腳IN1和OUT1之間斷開(kāi)、引腳IN2和OUT2之間短接，運(yùn)算放大器ICL7650的負(fù)端輸入與它的輸出斷開(kāi)，此時(shí)ICL7650對(duì)它的輸入信號(hào)放大8倍；當(dāng)單片機(jī)給CD4066的引腳CONT1輸入一個(gè)高電平、引腳CONT2輸入一個(gè)低電平時(shí)，CD4066的引腳IN1和OUT1之間短接、引腳IN2和OUT2之間斷開(kāi)，ICL7650的負(fù)端輸入與它的輸出直接短接，此時(shí)ICL7650和它的外圍電路一起組成了一個(gè)電壓跟隨器，只是增大A/D轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，并不對(duì)它的輸入信號(hào)進(jìn)行增益放大。

　　C8051F000片內(nèi)集成的增益放大器PGA編程范圍為0.5～16，當(dāng)ICL7650作為一個(gè)電壓跟隨器時(shí)，系統(tǒng)可編程增益范圍為0.5～16；當(dāng)ICL7650對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行8倍放大時(shí)，系統(tǒng)可編程增益范圍為4～128，由此可見(jiàn)，系統(tǒng)可編程增益范圍較寬，滿足大多數(shù)情況下增益放大需要。

　　2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)固件程序，USB驅(qū)動(dòng)程序及其鏈接庫(kù)，及用戶(hù)應(yīng)用程序。為了降低開(kāi)發(fā)難度及縮短開(kāi)發(fā)周期，系統(tǒng)采用了周立功公司開(kāi)發(fā)的D12 SMART套件中的USB驅(qū)動(dòng)程序及其鏈接庫(kù)[3]，該鏈接庫(kù)為用戶(hù)應(yīng)用程序提供了API函數(shù)，在編寫(xiě)應(yīng)用程序時(shí)，只需調(diào)用API函數(shù)與采集系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)，而不需要關(guān)心具體的USB通訊協(xié)議。

　　單片機(jī)固件設(shè)計(jì)采用中斷驅(qū)動(dòng)方式。CPU在前臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, USB傳輸則在后臺(tái)進(jìn)行, 而其中斷和主循環(huán)的數(shù)據(jù)交換則通過(guò)事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行。這樣既保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，又獲得了最佳的傳輸速率。固件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

　　中斷服務(wù)程序主要負(fù)責(zé)從PDIUSBD12收集數(shù)據(jù), 將建立包和OUT數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)體，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位；而主循環(huán)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)標(biāo)志位區(qū)分是標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求還是廠商請(qǐng)求，進(jìn)而調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序和廠商請(qǐng)求處理程序。其中標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序主要負(fù)責(zé)在設(shè)備枚舉過(guò)程中主機(jī)為識(shí)別設(shè)備而發(fā)送的請(qǐng)求, 主要包括讀取USB設(shè)備描述符、給USB設(shè)備分配地址、配置USB設(shè)備等功能。只有在計(jì)算機(jī)與USB設(shè)備建立鏈接之后，計(jì)算機(jī)才能識(shí)別出USB設(shè)備，與USB設(shè)備進(jìn)行通訊。而廠商請(qǐng)求處理中是自行定義的請(qǐng)求處理函數(shù), 用來(lái)處理計(jì)算機(jī)發(fā)送給采集系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)定命令，主要包括設(shè)定采集系統(tǒng)的量程、讀取通道采樣數(shù)據(jù)等命令。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求是在枚舉過(guò)程中由安裝在PC機(jī)中的USB驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送給USB設(shè)備的，而廠商請(qǐng)求是由用戶(hù)應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用USB鏈接庫(kù)提供的API函數(shù)將命令傳遞到功能驅(qū)動(dòng)程序后, 通過(guò)相應(yīng)例程發(fā)送到USB設(shè)備的。

　　PDIUSBD12 命令接口是一套訪問(wèn)PDIUSBD12 所有功能的處理函數(shù)，主要包括對(duì)PDIUSBD12設(shè)置地址、設(shè)置端點(diǎn)使能、設(shè)置模式、讀中斷寄存器、選擇端點(diǎn)、讀端點(diǎn)狀態(tài)、讀取緩沖區(qū)、清緩沖區(qū)等操作。當(dāng)固件中的其它程序需要對(duì)PDIUSBD12 進(jìn)行操作時(shí), 只須調(diào)用其中相應(yīng)的子程序即可。

　　硬件提取層是固件中的最底層代碼, 直接對(duì)PDIUSBD12訪問(wèn)，其執(zhí)行與具體硬件電路有關(guān)，使用的單片機(jī)不同, 或者實(shí)現(xiàn)的設(shè)備功能不同時(shí)這部分代碼也有所不同。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　系統(tǒng)采用高速SOC單片機(jī)C8051F000和PDIUSBD12實(shí)現(xiàn)了寬量程的數(shù)據(jù)采集和基于USB接口的數(shù)據(jù)傳輸，基于該方案的采集系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試通過(guò)，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和傳輸。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用了C8051F000片內(nèi)集成的增益放大器PGA，并結(jié)合外圍增益放大電路使系統(tǒng)的最大增益放大倍數(shù)達(dá)到了128倍，從而使系統(tǒng)能完成較寬范圍內(nèi)的電壓信號(hào)采集；系統(tǒng)在PDIUSBD12與單片機(jī)之間的接口電路設(shè)計(jì)中采用了單地址數(shù)據(jù)總線方案，相對(duì)于通常所采用的多路地址/數(shù)據(jù)總線方式大大減少了單片機(jī)I/O引腳的占用。