基于USB接口的高增益數據采集系統

　　0 引言

　　在現代工業生產和科學技術研究等各行業中，通常需要對各種數據進行采集。目前常用的通過數據采集板卡采集的方法存在著以下缺點：安裝麻煩，易受機箱內環境的干擾而導致采集數據的失真,容易受計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制，可擴展性差。而帶RS-232串口的數據采集器，在需要大批量、高速傳輸的場合下，其應用也受到限制。通用串行總線USB（Universal Serial Bus）的出現，很好地解決了上述問題，很容易實現便捷、高速、低成本、易擴展、高可靠性的數據采集，代表了現代數據采集系統的發展趨勢。

　　1 硬件設計與實現

　　USB總線傳輸速度快，為了充分發揮USB總線這一優勢，易選用速度較快的微處理器。另外，USB接口設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；另一種是采用普通單片機和USB控制芯片。對于第一種方案，不需要設計單片機和USB控制芯片之間的接口電路，簡化了電路設計，但是帶有USB接口的單片機種類有限，從而限制了單片機的選擇。對于后一種方案，可以選擇所熟悉的單片機，以減小開發難度，并縮短開發周期。系統采用的是SOC單片機C8051F000，USB控制芯片采用PDIUSBD12。

　　C8051F000單片機[1]是四邊扁平貼片封裝，內部集成了8通道的12位A/D轉換器, 可編程增益放大器PGA，自帶看門狗，具有32位數字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單片機最大工作頻率可達到25MIPS，采用流水線結構，是單指令周期單片機，運行速度也較快，適于開發USB設備。

　　PDIUSBD12 是Philips 公司推出的符合USB1.1版規范的帶并行總線的接口芯片。片內集成了320B的FIFO存儲器，在批量模式和同步模式下均可實現1MB/s的數據傳輸速率，集成了模擬收發器，串行接口引擎，串行接口引擎實現了全部的USB協議層，包括并行/串行轉換、位填充/解除填充、CRC校驗/產生、地址識別和握手評估/產生等,從而減小了PDIUSBD12驅動程序開發的難度[2,3]。

　　系統硬件包括主MCU、USB接口電路、模擬信號輸入調理電路和電源轉換電路等組成部分，其工作原理圖如圖1所示。

　　系統有8路模擬輸入，模擬輸入信號經過信號調理電路濾波、放大后送給C8051F000，此單片機自帶的A/D轉換器將輸入的模擬信號轉換為數字信號，并通過USB接口傳送給計算機。計算機也可以通過USB接口向C8051F000發送命令。系統采用USB總線供電，由于USB總線只能提供＋5V供電，而單片機C8051F000所需要的典型供電電壓是3.3V，信號調理電路中的多路轉換開關和運算放大器所需要的供電電壓是＋9V和－5V，故須設計電源轉換電路將5V電壓轉換為3.3V、－5V和＋9V，以便給相應的芯片提供電壓。其中USB接口電路和信號調理電路的設計是最為重要的兩個部分。

　　1.1 USB接口電路的設計

　　USB控制芯片PDIUSBD12與計算機及單片機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、兩條差分數據線D＋和D－。為了防止在讀寫數據的過程中電壓波動，及附近大功率用電設備對電壓的影響，在USB總線的兩條電源線VCC和GND之間加了去耦電容。USB總線是采用差分數據傳輸，因此在任意時刻，只能有一個發送器或接收器。在D+/D－線上串接的兩個18Ω電阻，及下拉的兩個1M電阻是用來進行阻抗匹配的。

　　PDIUSBD12的8根數據線D0～D7與單片機的8根數據線分別連接，實現PDIUSBD12與單片機之間8位數據的并行傳輸，PDIUSBD12的讀寫引腳與單片機的I/O引腳相連，以實現單片機對PDIUSBD12的讀寫操作。PDIUSBD12的引腳A0是命令口和數據口的地址線，PDIUSBD12有兩種數據總線方式：多路地址/數據總線和單地址數據總線，為了盡量少占用單片機的I/O引腳，系統采用單地址數據總線，PDIUSBD12的引腳ALE接地，引腳A0與單片機的I/O引腳相連，A0為1時，總線D0～D7上傳輸的是命令，A0為0時，總線D0～D7上傳輸的是數據。PDIUSBD12的掛起引腳SUSPD和中斷引腳INT分別與單片機的一個I/O引腳相連，以實現PDIUSBD12掛起及PDIUSBD12向單片機發出中斷。系統中PDIUSBD12的DMA功能沒有使用，引腳DMACK和EOT都通過一個上拉電阻連到電源。振蕩電路采用6MHz晶振，經過PDIUSBD12內部倍頻電路之后，PDIUSBD12內部實際時鐘為24MHz 。引腳GL通過一個綠色指示燈和一個電阻連到電源，當該儀器枚舉成功以后，該指示燈亮，當計算機與該儀器進行通訊時，此指示燈閃爍。