基于USB接口的數據采集與控制系統設計

摘要：利用ADuC845單片數據采集器件和CH341 USB接口器件構成的數據采集與控制系統，具有10個24位的A/D轉換器輸入通道，60 Hz范圍內有20位有效分辨率，失調漂移10 nV/℃，12位電壓輸出D／A轉換器，雙16位PWM輸出，8路開關量輸入／輸出，支持全速設備接口USB V1．1，通訊波特率可達50 b/s～2 Mb/s，適用于醫療設備、工業控制系統等數據采集與控制領域。
關鍵詞：數據采集；A/D轉換器；USB通信；ADuC845

1 系統結構
利用ADuC845單片數據采集器件和CH341 USB接口器件構成的數據采集與控制系統的框圖如圖1所示。ADuC845完成模擬量數據采集、開關量的輸入輸出、控制電壓和PWM控制信號輸出，CH341USB接口器件完成PC機與ADuC845的數據傳輸。

ADuC845中的數據打包后經USB器件傳送至PC機，利用 PC機的數據處理程序完成數據處理與分析，并將其顯示在所設計的系統界面上。同時，將控制命令通過USB接口傳送至ADuC845，實現對外圍設備的控制。

2 USB通信接口電路
USB通信接口電路采用CH341器件，圖2為其電路。圖2中，P3是USB端口，USB總線包括一對5 V電源線和一對數據信號線。通常+5 V電源線是紅色，接地線是黑色，D+信號線是綠色，D-信號線是白色。USB總線提供的電源電流最大可達500 mA，CH341和低功耗的ADuC845直接使用USB總線提供的5 V電源。

CH341的RXD引腳和TXD引腳分別與ADuC845的RxD引腳和TxD引腳相連，由于傳輸數據。晶體Y2、電容C13和C14用于時鐘振蕩電路。Y2的頻率是12 MHz，C13和C14是容量為15 pF的獨石或高頻瓷片電容。VD1為工作狀態指示燈，R3為其限流電阻。R4是0 Ω電阻(磁珠)，它能實現濾波及保護。C12和C11是獨石或高頻瓷片電容，C12容量為1 000 pF～0．01μF，用于CH341內部電源節點退耦，C11容量為O．1μF，用于外部電源退耦。
設計印刷線路板PCB時，需注意是的：退耦電容C11和C12應盡量靠近CH341放置；使D+和D-信號線貼近平行布線，盡量在兩側提供地線或覆銅，以減少外界的信號干擾；盡量縮短XI和XO引腳相關信號線長度，為減少高頻時鐘對外界的干擾，可在相關元件周邊環繞地線或覆銅。

3 數據采集與控制電路設計
數據采集與控制電路以ADuC845為核心，電路如圖3所示，該電路提供10個24位的A／D轉換器輸入通道，輸入端接有1 kΩ的電阻和0．1μF的濾波電容器。12位電壓輸出 D／A轉換器經運算放大器OP284緩沖后輸出；也可提供雙16位PWM輸出和8路開關量的輸入／輸出。ADuC845的RxD引腳和TxD引腳分別與CH341的RXD引腳和TXD引腳相連，實現數據傳輸。晶體振蕩器電路采用32.768 kHz晶振Y1，電容C18和C19根據系統需要調整確定。數字電路的電源端分別連接0．1μF的退耦電容到地。模擬電路的電源端連接0．1μF和10μF的退耦電容到地。退耦電容應盡可能的靠近電源放置。