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　　1 引言

　　現(xiàn)代工控自動(dòng)化和科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求日益提高， 在一些實(shí)時(shí)信號(hào)測(cè)量和圖像處理等領(lǐng)域要進(jìn)行高速數(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(jì)算機(jī)中得到普及，并成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，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(diǎn)。在工控領(lǐng)域經(jīng)常需要采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，工業(yè)控制中應(yīng)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(chǎng)數(shù)據(jù)采集等，在工業(yè)控制中有廣闊的應(yīng)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(jī)（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(gè)位處理器進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。專用USB 接口芯片的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)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(shè)計(jì)， 硬件上僅需對(duì)并行總線和中斷進(jìn)行改動(dòng)， 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(jī)的USB 接口通信程序，無需對(duì)原有產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作很大的改動(dòng)。

　　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(jī)接口。硬件設(shè)計(jì)中要注意USB 接口芯片的時(shí)鐘速度較高。如果芯片內(nèi)部沒有PLL 倍頻，則單片機(jī)晶體振蕩頻率應(yīng)該注意與之匹配，USB 設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：

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

　　2）、PC 機(jī)端的程序由USB 通信程序和用戶服務(wù)程序兩部分組成。

　　用戶服務(wù)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(gè)便攜式USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　對(duì)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(dòng)程序。USB100 模塊的數(shù)據(jù)通信速度為8Mb/s，它是完全集成化的USB 通信接口模塊，完全滿足USB1.1 標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部多達(dá)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(jī)接口的需要。單片機(jī)可選擇帶A/D、D/A 轉(zhuǎn)換的類型，也可以選擇普通單片機(jī)，然后再選擇A/D、D/A 模塊。

　　第1 種選擇高性能的單片機(jī)，例如ADμC812 作為系統(tǒng)處理器。ADμC812 在單個(gè)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(chǔ)器、640 字節(jié)的閃速／ 電可擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、看門狗定時(shí)器、電源監(jiān)視器。I2C 兼容的SPI 和標(biāo)準(zhǔn)的UART 串行I/O 模塊及靈活的電源管理方案等等，真正實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī)。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(jī)作為處理器，例如At90s8515。At90s8515 是基于AVR 增強(qiáng)型RISC 結(jié)構(gòu)的高速低功耗8 位微處理器。

　　它提供8k 可閃存、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(shí)器。單片機(jī)選好之后，需要再選擇A/D、D/A 模塊來實(shí)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。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)編程用C 語言實(shí)現(xiàn)，主程序?yàn)閙ain（），程序在初始化各種參數(shù)之后，開始不斷的循環(huán)，查詢USB100 和A/D 端口，將各路采樣值送入U(xiǎn)SB 端口；同時(shí)檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，如果有數(shù)據(jù)，就進(jìn)行相應(yīng)的操作，否則繼續(xù)循環(huán)。流程圖如圖3 所示。

圖3 流程圖

　　PC 機(jī)應(yīng)用程序編程如下：

　　USB100 模塊提供兩種PC 機(jī)應(yīng)用程序編程， 即虛擬串口方式和動(dòng)態(tài)連結(jié)庫方式。

　　1） 虛擬串口方式下，用戶在PC 機(jī)上安裝USB100 模塊專用虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序之后，USB100 即可作為PC 機(jī)上的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可以按照和操作串口完全一樣的方法來編程。

　　2） 在動(dòng)態(tài)連結(jié)庫方式下，用戶要在PC 機(jī)上安裝USB100 模塊專用動(dòng)態(tài)連結(jié)庫，安裝之后，USB100 即成為PC 機(jī)的一標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，編程時(shí)調(diào)用API 函數(shù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

　　5 結(jié)語

　　介紹的設(shè)計(jì)方法使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)更加簡(jiǎn)單便捷，經(jīng)過實(shí)踐，系統(tǒng)傳輸速度達(dá)到8Mb/s，可以滿足用戶實(shí)際需要。此種方法具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性，對(duì)于開發(fā)USB 采集系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值。