結合USB和微處理器的數據采集系統

　　1 引言

　　現代工控自動化和科學研究對數據采集的要求日益提高， 在一些實時信號測量和圖像處理等領域要進行高速精確數據采集，通用串行總線（USB 數據總線）已經在各種計算機中得到普及，并成為計算機的標準外設，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成本低等優點。在工控領域經常需要采集數據并將數據傳輸到計算機中進行處理，工業控制中應用廣泛的是微處理器。USB 總線和微處理器結合，非常適合現場數據采集等，在工業控制中有廣闊的應用前景。文中介紹一種USB采集系統，是二者有效結合使用的例子。

　　2 數據采集系統開發概述

　　USB 控制器主要有兩種：一種是帶USB 接口的單片機（MCU）；另一種是專用的USB 接口芯片。本系統選擇專用的USB 接口芯片，這就必須有一個位處理器進行協議處理和數據交換。專用USB 接口芯片的優點是價格便宜。接口方便和可靠性高，它尤其適合于產品的改型設計， 硬件上僅需對并行總線和中斷進行改動， 軟件則需要增加微處理器的USB 中斷處理和數據交換程序以及PC機的USB 接口通信程序，無需對原有產品系統結構作很大的改動。

　　一般USB 接口芯片都支持多種并行總線結構， 可方便地與多種單片機接口。硬件設計中要注意USB 接口芯片的時鐘速度較高。如果芯片內部沒有PLL 倍頻，則單片機晶體振蕩頻率應該注意與之匹配，USB 設備的軟件設計主要包括兩部分：

　　1）、USB 設備端的單片機軟件，完成USB 協議處理與數據交換以及其他應用功能軟件，完成USB 協議處理與數據交換以及其他應用功能程序；

　　2）、PC 機端的程序由USB 通信程序和用戶服務程序兩部分組成。

　　用戶服務程序通過USB 通信程序與系統USBDI（USB device interface）通信，由系統完成USB 協議處理與數據傳輸。PC 端程序的開發難度較大，而文中介紹的系統不需要用戶熟悉USB 協議以及Windows體系結構等就可以很快開發。下面從硬件和軟件兩方面介紹一個便攜式USB 數據采集系統的開發。

　　3 硬件設計

　　對于USB 接口芯片，選擇了USB100，它是目前開發較方便的USB 接口產品，不必為其編寫驅動程序。USB100 模塊的數據通信速度最高為8Mb/s，它是完全集成化的USB 通信接口模塊，完全滿足USB1.1 標準。內部多達384 字節的發送緩沖區和128 字節的接收緩沖區，滿足高速通信與單片機接口的需要。單片機可選擇帶A/D、D/A 轉換的類型，也可以選擇普通單片機，然后再選擇A/D、D/A 模塊。

　　第1 種選擇高性能的單片機，例如ADμC812 作為系統處理器。ADμC812 在單個芯片內集成了8 路12 位ADC 采集系統、2 路12 位DAC、80C52MCU 內核、8kb 的閃速／ 電可擦除程序存儲器、640 字節的閃速／ 電可擦除數據存儲器、看門狗定時器、電源監視器。I2C 兼容的SPI 和標準的UART 串行I/O 模塊及靈活的電源管理方案等等，真正實現了單片機應用系統的單片機。數據采集系統的組成如圖1 所示。

圖1 USB 數據采集系統

　　第2 種選用一般單片機作為處理器，例如At90s8515。At90s8515 是基于AVR 增強型RISC 結構的高速低功耗8 位微處理器。

　　它提供8k 可下載閃存、512 字節EEPROM、512 字節SRAM、32 條多功能I/O 線以及可編程UART、帶有內部震蕩器的可編程看門狗定時器。單片機選好之后，需要再選擇A/D、D/A 模塊來實現數據采集功能。數據采集系統組成如圖2 所示。

圖2 USB 數據采集系統板

　　圖2 中選擇具有8 通道12 位AD7888 A/D 轉換器和2 路12 位AD7274 D/A 轉換器。