基于USB總線和Aduc831單片機的數據采集系統的設計

由于信息網絡化的發展，經常需要將各種設備與主機相連，傳統的外設與主機的通訊接口一般是基于PCI總線、ISA總線或者是RS-232C串行總線。 PCI總線雖具有高的傳輸速度(132Mbps)，支持即插即用功能，但其缺點是插拔麻煩，且擴展槽有限(一般為5～6個)。ISA總線顯然存在著同樣的問題。RS-232C串行總線雖然連接簡單，但其缺點是傳輸速度慢(56kbps). 而通用串行總線(Universal Serial Bus,簡稱USB)的出現能很好地解決以上這些沖突。我們利用新型高性能單片機Aduc831設計了基于USB總線的數據采集系統。

1. USB簡介

1.1 USB特點

USB的英文全稱為Universal Serial Bus,它是一種快速、雙向、同步傳輸的廉價的并可以進行熱拔插的串行接口。它的特點主要有:

1)速度快。USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps，另外為了適應一些不需要很大吞吐量和很高實時性的設備，如鼠標等，USB還提供低速方式，速率為1.5Mb/s。

2) 設備安裝和配置容易。安裝USB設備不必再打開機箱，加減已安裝過的設備完全不用關閉計算機。所有USB設備均支持熱插拔，且易于擴展。

3) 使用靈活。USB共有４種傳輸模式：控制傳輸(control)、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應不同設備的需要。

1.2 USB總線協議

USB總線屬一種輪訊方式的總線，主機控制端口初始化所有的數據傳輸。

每一總線執行動作最多傳送三個數據包。按照傳輸前制定好的原則，在每次傳送開始時，主機控制器發送一個描述傳輸運作的種類、方向，USB設備地址和終端號的USB數據包，這個數據包通常稱為標志包(token packet)。USB設備從解碼后的數據包的適當位置取出屬于自己的數據。數據傳輸方向不是從主機到設備就是從設備到主機。在傳輸開始時，由標志包來標志數據的傳輸方向，然后發送端開始發送包含信息的數據包或表明沒有數據傳送。接收端也要相應發送一個握手的數據包表明是否傳送成功。發送端和接收端之間的 USB數據傳輸，在主機和設備的端口之間，可視為一個通道。存在兩種類型的通道：流和消息。流的數據不像消息的數據，它沒有USB所定義的結構，而且通道與數據帶寬、傳送服務類型，端口特性（如方向和緩沖區大小）有關。多數通道在USB設備設置完成后即存在。USB中有一個特殊的通道——缺省控制通道，它屬于消息通道，當設備一啟動即存在，從而為設備的設置、查詢狀況和輸入控制信息提供一個入口。

2. 硬件設計

2.1 Aduc831簡介

ADuC831 是一個完全綜合的247 k采樣保持數據采集系統，在同一片中 結合了高性能的自校準12位 ADC 多路通道，雙12位 DAC通道和可編程8位 MCU。微處理器核心是 8052,提供片內 62 kB 非易失性閃速/電擦除程序存儲器。還提供片內 4 kB 非易失性閃速/電擦除數據存儲器、256 b RAM 和2 kB 擴展 RAM。

ADuC831 還提供額外的電源監視器, 和一個高精度參考源。片內數字外圍設備包括2個16位Σ-Δ DAC, 雙輸出16位 PWM,看門狗定時器, 定時間隔計數器,3個定時器/計數器, 定時器 3用于波特率產生核 串行接口 I/O (I2C, SPI 和UART) 。

并且片內提供串行下載和調試模式 (通過 UART), 并且通過EA引腳提供單引腳競爭模式。ADuC831 支持 QuickStart™ 和 QuickStart Plus 升級系統和低成本的軟件和硬件工具。

2.2 USBN9603簡介

USBN9603是一個集成的USB端點控制器，具有增強的DMA功能。USBN9603集成了一個帶有3．3V的調節器的收發器，1個SIE(串行接口引擎)，1個8 b并行接口，1個時鐘發生器和1個MICROWIRE／PLUS接口。USBN9603可以進行7個端點的數據傳輸，除了1個端點必須為控制傳輸端點以外，其他的6個端點可以被配置成中斷傳輸端點、批量傳輸端點或者等時傳輸端點；每一個端點都有一個專門的FIFO，控制端點的FIFO長度為8B，其他的為64B。8 b并行接口可以支持多路復用或者非多路復用2種與CPU的接口方式。USBN9603的突出特點為：低EMI(電磁干擾)，低等待電流，24M晶振，增強的DMA功能；可使用5V或3．3V電源；總線操作具有異步喚醒的全速靜態HALT模式；改進的3．3V電壓輸入的電壓調節器，所有非雙向端點都有64B 的FIFO；外部控制器接口簡單，編程方便。

2.3 原理圖設計

USB數據采集系統硬件模塊主要由Aduc831芯片、USB接口芯片USBN9603組成。硬件結構簡單,硬件總體結構框圖如圖1所示.

模擬輸入信號A/D轉換器,轉換結果存儲在FIFO存儲器中；一旦FIFO存滿，SIE立刻對數據進行處理，然后Aduc831系統將數據從FIFO存儲器中讀出,由收發器通過數據線（D+、D-）送至主機。