基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與研究-基礎電子

精品文檔-下載后可編輯基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與研究-基礎電子1引言

數(shù)據(jù)采集作為獲取信息的手段，越來越多的應用在各種工業(yè)系統(tǒng)中。目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多以PCI，ISA或。

EPP／ECP等完成數(shù)據(jù)的傳輸，這些方式開發(fā)調試比較困難，安裝不便，通用性和可移植性差；而且PC上的插槽數(shù)量、地址、中斷資源的有限導致這些方式的可擴展性差［1］。目前廣泛應用的USB總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優(yōu)點，USB2．O的傳輸速率可達到480Mb／s，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢之一［2］。

2EZ-USBFX2以及CY7C68013的特點

本文選擇C2ypress公司LISB接口芯片CY7C268013(56一pin)，該芯片屬于EZ-IJSBFX2系列。CypressEZ-USBFX2是世界上款USB2．O集成微控制器［3］。其在1個芯片上集成了USB收發(fā)器(USBTransceiver)，串行接口引擎(SerialInterfaceEngine，SIE)，CPU(增強型8051微控制器)和一個通用可編程GPIF接口(GeneralProgrammableInterface，GPIF)。集成的LISB收發(fā)器通過USB電纜的D+和D一線連接到主機，串行接口引擎(SIE)進行數(shù)據(jù)的編碼和解碼、完成錯誤校驗、位填充和其他USB需要的信號級任務。

終，SIE傳輸來自或將要到達USB接口的數(shù)據(jù)。FX2的SIE可以在全速(12Mb／s)和高速(480Mb／s)兩種速率下運行。為了適應USB2．O增加的帶寬，F(xiàn)X2端點FIFO(FirstInFirstOut)和SlaveFIFO(同外部邏輯或處理器連接的緩沖區(qū))組合在一起，這樣可以節(jié)省內部數(shù)據(jù)之間的傳送所消耗的時間。CPU是具有快速的執(zhí)行時間和更多特點的增強型8051，他把內部RAM用作程序和數(shù)據(jù)存儲。

CY7C68013有以下主要特征：

(1)軟件。8051從到內部RAM的程序開始運行，這個特征允許固件程序通過主機到芯片內部RAM中，從而方便了調試和固件的改寫。

(2)四個可編程。BULK／INTERRUPT／ISOCHRO一NOUS端點，可以是雙緩沖區(qū)，三緩沖區(qū)或者四緩沖區(qū)，這樣可以根據(jù)外部數(shù)據(jù)的速率調整緩沖區(qū)的寬度和深度，以適應不同的需要。

(3)GPIF。允許直接連接到大多數(shù)并行接口：8位和16位；由可編程波形述符和配置寄存器來定義波形；支持多個Ready(RDY)輸入和Control(CTL)輸出。

(4)3．3V。電壓供電，減小了控制器的功耗。

3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)主要由模數(shù)部分、通信部分和電源轉換3個部分組成。整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對信號的采集、傳輸和存儲。圖1為本采集系統(tǒng)結構框圖。

主要工作流程：經過調理的模擬信號經過模／數(shù)轉換器(ADC0804)轉換為數(shù)字信號；USB2．O控制器負責把ADC轉換后得到的數(shù)據(jù)讀取到其內部FIFO緩沖區(qū)，由程序判斷ADC的轉換結束；中斷信號決定ADC上的數(shù)據(jù)是否有效。PC的用戶應用程序發(fā)出接收數(shù)據(jù)的請求，并由設備發(fā)出相應的響應決定是否開始傳輸數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)自動識別設備后加載驅動程序，USB控制器的固件程序通過USB電纜從主機自動到其內部程序RAM中，并經過列舉和重列舉后開始正常工作，計算機可以通過用戶軟件取得系統(tǒng)的各種配置信息。USB控制器以GPIF(通用可編程接口)Master模式控制數(shù)據(jù)采集和讀取，并通過CY7C68013GPIF的"波形圖"控制ADC的采集和讀取數(shù)據(jù)的時序。

3．1USB控制器外圍電路設計

USB控制器及其外圍電路組成了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取和傳輸模塊，這部分主要負責讀取和傳輸ADC轉換后的數(shù)據(jù)，并負責與PC機的通信，從而完成這個系統(tǒng)的功能。由于CY7C68013把多重功能都集成到一個片子上，所以外部電路顯得不是很復雜，與一般的電路比較，減少了電路復雜的外部數(shù)據(jù)線和信號線的連接，有利于提高整個系統(tǒng)的可靠性［4］。LISB控制器部分外圍電路原理圖如圖2所示。

CY7C68013用自己的片內晶振電路和一個外部24MHz晶振組成系統(tǒng)的時鐘電路。他有一個片內鎖相環(huán)(PLL)電路，利用PLL可以把24MHz振蕩器頻率倍頻至480MHz供收發(fā)器使用。內部計數(shù)器把24MHz的頻率分頻為內部8051需要的默認的12MHz的時鐘頻率。XTALIN和XTALOUT分別為晶振的輸入和輸出引腳，分別與晶振相連，同時，晶振的兩個引腳分別通過一個20～33pF的負載電容接地。DMINUS和DPLUS為USB的D+，D一信號線，分別和LISB連接器的相應引腳相接。LJSB連接器上的VBUS和GND為總線電源線，整個系統(tǒng)的所需要的各種電壓都是通過該電源轉換而得到。SCL和SDA分別為I2C總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線，在本設計中，系統(tǒng)的固件程序采取從主機的方法。因此，這里無需連接外部E2PROM，這兩個引腳要分別通過一個2．2Ω的電阻連接到電源引腳VCC上。RESERVED引腳為芯片的保留引腳，通過一個2．2Ω接地。

RESET引腳為芯片的復位引腳。該引腳有一個滯后作用并且低電平有效。因為內部鎖相環(huán)在VCC升至3．3V后大約200μs保持穩(wěn)定，所以，RESET引腳所連接的外部RC網絡要取適當?shù)闹祦頋M足這個需要，典型的取值為：R-100kΩ，C=0．1μF。wAKEUP為喚醒引腳，在805l和芯片的其他部分為低功耗狀態(tài)時，USB系統(tǒng)掛起，PLL和晶振停止工作，當外部邏輯觸發(fā)wAKEUP，晶振重新工作之后，PLL趨于穩(wěn)定，同時，8051也會收到一個喚醒中斷。RDY0，CTLO，CTL1引腳分別和對應ADC及其外圍電路的接口相連，F(xiàn)D[15：0]分別和ADC的對應數(shù)據(jù)線連接。

3．2A／D采樣通道設計

本文采用的是CY7C68013的GPIF工作模式，因此直接利用了GPIF的16位并行接口，這樣每次可以按字(2個8位)讀取數(shù)據(jù)?？紤]到ADC0804的廉價，并且省去了連接多路選擇器和其相關的控制接口電路等因素，提高系統(tǒng)的可靠性，利用2片AI)C0804同時與GPIF接口相連接，避免了利用多路開關時的所需的轉換時間m56,在程序部分，也省去了選擇模擬信號通道部分。

3．3電源電路設計

在本設計中，需要3種大小不同的供電電源，除了ADC0804需要的+5V供電電源外，還有CY7C68013需要的+3．3V的供電電源，模數(shù)轉換器ADC0804需要的+2．5V的基準電壓電源。由于整個系統(tǒng)可以使用總線電源供電，不需要外加電源，因此需要把+5V的總線電源轉換為系統(tǒng)各個部分所需的電源。+3．3V電源是CY7C68013所需芯片供電電壓。設計中，選用的是MAxIM公司的電源轉換芯片MAX882n0，連接電路如圖3所示。

模／數(shù)轉換器需要外部提供基準電壓，ADC0804需要+2．5V電壓，而且基準電壓是否穩(wěn)定、，直接影響數(shù)據(jù)轉換的精度。而NationalSemiconductor公司的LM336-2．5V是一個能提供+2．5V電壓的器件，他的集成電路是的2．5V并聯(lián)推挽穩(wěn)壓二極管組成，還有一個用來調節(jié)溫度對電壓影響的引腳ADJ。芯片所產生的2．5V的電壓可以很方便的從5V電壓系統(tǒng)中獲得。

4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設計

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由3部分組成：USB固件程序(Firmware)、I_JSB設備驅動程序以及客戶應用程序。3部分程序之間相互協(xié)作來完成整個采集卡的功能。

4．1固件程序設計

固件程序是指運行在設備CPU中的程序。只有在該程序運行時，外設才能稱之為具有給定功能的外部設備。固件程序負責初始化各硬件單元，重新配置設備及A／D采樣控制。固件代碼的存儲位置有3種：種是存在主機中，設備加電后由驅動程序把固件到片內RAM后執(zhí)行，即"重新枚舉"；第二種方法是把固件代碼固化到一片E2PRAM中，外設加電后由FX2通過I21C總線到片內RAM后自動執(zhí)行；一種方法是把程序固化到一片R()M中，使之充當外部程序存儲器，連在FX2三總線上。本文選用種方式，這種方式便于系統(tǒng)的調試和升級。

Cypress公司為CY7C68013提供了一個開發(fā)框架，可以在KEILC51環(huán)境下開發(fā)。由于開發(fā)框架的引入，大大縮短了用戶的研發(fā)周期。該框架由以下幾部分組成：

(1)Fw．C中包含了程序框架的MAIN函數(shù)，管理整個51內核的運行，因為CypreSS對這個部分的功能進行了精心劃分，一般是不用改動的。

(2)用戶必須將PERIPH．C實例化，他負責系統(tǒng)周邊器件的互聯(lián)。固件的設計主要針對這個文件，用戶必須根據(jù)自己系統(tǒng)的需要，實例化這個文件，以實現(xiàn)自己的功能。在這個文件中有幾個函數(shù)是比較關鍵的，在這里做特別說明：

TDInit函數(shù)，負責對USB端點進行初始化設置。本設計中將端點6設置為1024個字節(jié)，緩存深度為4級，模式設為自動輸入方式。

TDPoll函數(shù)，負責系統(tǒng)中循環(huán)任務的處理。他主要是對各個端點的狀態(tài)進行查詢，處理各種OUT或IN端點的交互。值得說明的一點是，這種處理只是輔助性質的，大部分工作由硬件自動完成。

GPIFINIT．C，其中只有一個Gpiflnit函數(shù)；他是GPIF模塊的初始化函數(shù)，一般在TDInit函數(shù)中調用。這個函數(shù)是由Cypress公司提供的一個GPIF、Designer開發(fā)工具根據(jù)用戶設計的波形生成的，用戶不需要自己設計波形查詢表，減輕了設計者的工作強度。DSCR．A51是描述表文件，負責LISB設備的描述工作，CY7C68013在上電后自動利用其中的VID和PID取代默認的VID和PID。

4．2驅動程序的編寫

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設備驅動程序和應用程序都是設備的主機端程序。設備驅動程序是硬件和應用程序之間的橋梁，通過驅動程序，應用程序可以對硬件進行控制。該系統(tǒng)需要2個驅動程序，即通用驅動和固件的驅動。通用驅動完成與外設和用戶程序的通信及控制；而固件的驅動則只負責在外設連接LISB總線后把特定的固件程序到FX2的RAM中，使FX2的CPU重啟，模擬斷開與USB總線的連接，完成對外設的重新設置。主機根據(jù)新的設置安裝通用驅動程序，重新枚舉外設為一個新的USB設備。

在本系統(tǒng)的驅動程序開發(fā)中，使用的開發(fā)工具是Jun-go公司的winDriver，他支持多種操作系統(tǒng)。winDriver開發(fā)的優(yōu)點是用戶不需要了解操作系統(tǒng)內部的具體工作機理，同時也不需要了解各個系統(tǒng)DDK(DevelopingorDebugginginKernel)的開發(fā)工具，用戶只需使用winDriv-er提供的開發(fā)平臺，即可完成驅動程序的設計工作，剩下的底層細節(jié)由winDrivei內核統(tǒng)一處理。從而降低了對開發(fā)者編程能力的要求，同時也大大縮短了開發(fā)周期。下面就使用winDriver開發(fā)驅動程序的步驟做簡要說明：

啟動winDrivet。的Driveiwizard工具；利用Driver--wizard檢測硬件是否正常；在Driverwizard中選擇所使用的開發(fā)環(huán)境，這里使用VC++6．0開發(fā)環(huán)境，并生成驅動程序代碼；對生成的代碼進行修改，使其符合系統(tǒng)的需要；在winDrivet環(huán)境的用戶模式下，調試驅動程序；如果程序需要內核訪問以提高驅動程序的效率，進入內核開發(fā)。

4．3用戶程序的編寫

用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，他通過通用驅動程序完成對外設的控制和通信。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設的連接，然后才能實施數(shù)據(jù)的傳輸。啟動采樣后，為了保證不丟失數(shù)據(jù)，用戶程序應該建立一個工作線程專門獲取外設傳來的數(shù)據(jù)。程序中主要用到2個API函數(shù)：CreateFile()和DeviceloControl()。CreateFile()取得設備句柄后，DeviceloControl()根據(jù)該句柄完成數(shù)據(jù)傳輸。程序框圖如圖5所示。

5結語

本文系統(tǒng)地介紹了基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了軟硬件的設計工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有20kS／s的采樣速率，8位分辨率，采樣精度小于1％，輸入范圍為一5～+5V。在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計中，CY7C68013芯片靈活的接口和可編程特性簡化了外部硬件的設計，提高了系統(tǒng)的可靠性，也利于PCB板的制作與調試?；赨SB2．0的數(shù)據(jù)采集卡可以即插即用，彌補了傳統(tǒng)采集板卡插拔困難的不足。隨著時代的進步，技術的發(fā)展，USB必將在更廣闊的領域得到更深層次的運用。

參考文獻:

[1].PCIdatasheet/datasheet/PCI_1202269.html.[2].CY7C68013datasheet/datasheet/CY7C68013_1054335.html.[3].BULKdatasheet/datasheet/BULK_25231