基于USB接口的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用ADuC845單片數(shù)據(jù)采集器件和CH341 USB接口器件構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，具有10個(gè)24位的A/D轉(zhuǎn)換器輸入通道，60 Hz范圍內(nèi)有20位有效分辨率，失調(diào)漂移10 nV/℃，12位電壓輸出D／A轉(zhuǎn)換器，雙16位PWM輸出，8路開(kāi)關(guān)量輸入／輸出，支持全速設(shè)備接口USB V1．1，通訊波特率可達(dá)50 b/s～2 Mb/s，適用于醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集與控制領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；A/D轉(zhuǎn)換器；USB通信；ADuC845

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
利用ADuC845單片數(shù)據(jù)采集器件和CH341 USB接口器件構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。ADuC845完成模擬量數(shù)據(jù)采集、開(kāi)關(guān)量的輸入輸出、控制電壓和PWM控制信號(hào)輸出，CH341USB接口器件完成PC機(jī)與ADuC845的數(shù)據(jù)傳輸。

ADuC845中的數(shù)據(jù)打包后經(jīng)USB器件傳送至PC機(jī)，利用 PC機(jī)的數(shù)據(jù)處理程序完成數(shù)據(jù)處理與分析，并將其顯示在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上。同時(shí)，將控制命令通過(guò)USB接口傳送至ADuC845，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)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(duì)5 V電源線和一對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)線。通常+5 V電源線是紅色，接地線是黑色，D+信號(hào)線是綠色，D-信號(hào)線是白色。USB總線提供的電源電流最大可達(dá)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(shù)據(jù)。晶體Y2、電容C13和C14用于時(shí)鐘振蕩電路。Y2的頻率是12 MHz，C13和C14是容量為15 pF的獨(dú)石或高頻瓷片電容。VD1為工作狀態(tài)指示燈，R3為其限流電阻。R4是0 Ω電阻(磁珠)，它能實(shí)現(xiàn)濾波及保護(hù)。C12和C11是獨(dú)石或高頻瓷片電容，C12容量為1 000 pF～0．01μF，用于CH341內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)退耦，C11容量為O．1μF，用于外部電源退耦。
設(shè)計(jì)印刷線路板PCB時(shí)，需注意是的：退耦電容C11和C12應(yīng)盡量靠近CH341放置；使D+和D-信號(hào)線貼近平行布線，盡量在兩側(cè)提供地線或覆銅，以減少外界的信號(hào)干擾；盡量縮短XI和XO引腳相關(guān)信號(hào)線長(zhǎng)度，為減少高頻時(shí)鐘對(duì)外界的干擾，可在相關(guān)元件周邊環(huán)繞地線或覆銅。

3 數(shù)據(jù)采集與控制電路設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)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(gè)24位的A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器經(jīng)運(yùn)算放大器OP284緩沖后輸出；也可提供雙16位PWM輸出和8路開(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。晶體振蕩器電路采用32.768 kHz晶振Y1，電容C18和C19根據(jù)系統(tǒng)需要調(diào)整確定。數(shù)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(yīng)盡可能的靠近電源放置。