基于USB總線的實時數據采集系統設計

現代工業生產和科學研究對數據采集的要求日益提高。目前比較通用的是在PC或工控機內安裝數據采集板卡，如A/D卡及422、485卡。這些數據采集設備存在以下缺陷：安裝麻煩；價格昂貴；受計算機插槽數量、地址、中斷資源限制，可擴展性差；在一些電磁干擾性強的測試現場，無法專門對其做電磁屏蔽，導致采集的數據失真。

通用串行總線（UNIversal Serial Bus，簡稱USB）是1995年康柏、微軟、IBM、DEC等公司為了解決傳統總線的不足推廣的一種新型串行通信標準。該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴展等優點，已經逐漸成為現代數據傳輸的發展趨勢。基于USB的數據采集系統充分利用USB總線的上述優點，有效解決了傳統數據采集系統的缺陷。

1 系統硬件設計

1.1 硬件總體結構

USB實時數據采集系統硬件模塊包括A/D轉換器、微控制器、USB通信接口和多路模擬開關。硬件總體結構如圖1所示。

1.2 USBN9602芯片

USB接口芯片采用National Semiconductor公司的一種專用芯片USBN9602。該芯片內部集成微處理器接口、FIFO存儲器、時鐘發生器、串行接口引擎（SIE）、收發器、3.3V電壓轉換器，支持DMA、微波接口，內部結構如圖2所示。

微控制器通過8位的并行接口傳送A/D采集的數據，存儲在FIFO存儲器中；一旦FIFO存滿，SIE立刻對數據進行處理，其中包括：同步模式識別、并/串轉換、位填充/解填充、CRC產生與校驗、地址識別、握手響應與產生、USB特殊事件（Reset、Suspend、Resume）檢測；最后由收發器通過數據線（D+、D-）傳送數據至PC。上述過程嚴格遵守USB1.1協議。USBN9602與89C52的具體實現電路如圖3所示。