基于USB接口的高增益數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　0 引言

　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究等各行業(yè)中，通常需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。目前常用的通過數(shù)據(jù)采集板卡采集的方法存在著以下缺點(diǎn)：安裝麻煩，易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)的失真,容易受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，可擴(kuò)展性差。而帶RS-232串口的數(shù)據(jù)采集器，在需要大批量、高速傳輸?shù)膱?chǎng)合下，其應(yīng)用也受到限制。通用串行總線USB（Universal Serial Bus）的出現(xiàn)，很好地解決了上述問題，很容易實(shí)現(xiàn)便捷、高速、低成本、易擴(kuò)展、高可靠性的數(shù)據(jù)采集，代表了現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　USB總線傳輸速度快，為了充分發(fā)揮USB總線這一優(yōu)勢(shì)，易選用速度較快的微處理器。另外，USB接口設(shè)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(fù)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(jī)；另一種是采用普通單片機(jī)和USB控制芯片。對(duì)于第一種方案，不需要設(shè)計(jì)單片機(jī)和USB控制芯片之間的接口電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，但是帶有USB接口的單片機(jī)種類有限，從而限制了單片機(jī)的選擇。對(duì)于后一種方案，可以選擇所熟悉的單片機(jī)，以減小開發(fā)難度，并縮短開發(fā)周期。系統(tǒng)采用的是SOC單片機(jī)C8051F000，USB控制芯片采用PDIUSBD12。

　　C8051F000單片機(jī)[1]是四邊扁平貼片封裝，內(nèi)部集成了8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器, 可編程增益放大器PGA，自帶看門狗，具有32位數(shù)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(jī)最大工作頻率可達(dá)到25MIPS，采用流水線結(jié)構(gòu)，是單指令周期單片機(jī)，運(yùn)行速度也較快，適于開發(fā)USB設(shè)備。

　　PDIUSBD12 是Philips 公司推出的符合USB1.1版規(guī)范的帶并行總線的接口芯片。片內(nèi)集成了320B的FIFO存儲(chǔ)器，在批量模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn)1MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，集成了模擬收發(fā)器，串行接口引擎，串行接口引擎實(shí)現(xiàn)了全部的USB協(xié)議層，包括并行/串行轉(zhuǎn)換、位填充/解除填充、CRC校驗(yàn)/產(chǎn)生、地址識(shí)別和握手評(píng)估/產(chǎn)生等,從而減小了PDIUSBD12驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的難度[2,3]。

　　系統(tǒng)硬件包括主MCU、USB接口電路、模擬信號(hào)輸入調(diào)理電路和電源轉(zhuǎn)換電路等組成部分，其工作原理圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)有8路模擬輸入，模擬輸入信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路濾波、放大后送給C8051F000，此單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過USB接口傳送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)也可以通過USB接口向C8051F000發(fā)送命令。系統(tǒng)采用USB總線供電，由于USB總線只能提供＋5V供電，而單片機(jī)C8051F000所需要的典型供電電壓是3.3V，信號(hào)調(diào)理電路中的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和運(yùn)算放大器所需要的供電電壓是＋9V和－5V，故須設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V、－5V和＋9V，以便給相應(yīng)的芯片提供電壓。其中USB接口電路和信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)是最為重要的兩個(gè)部分。

　　1.1 USB接口電路的設(shè)計(jì)

　　USB控制芯片PDIUSBD12與計(jì)算機(jī)及單片機(jī)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?jǐn)?shù)據(jù)線D＋和D－。為了防止在讀寫數(shù)據(jù)的過程中電壓波動(dòng)，及附近大功率用電設(shè)備對(duì)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?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，因此在任意時(shí)刻，只能有一個(gè)發(fā)送器或接收器。在D+/D－線上串接的兩個(gè)18Ω電阻，及下拉的兩個(gè)1M電阻是用來進(jìn)行阻抗匹配的。

　　PDIUSBD12的8根數(shù)據(jù)線D0～D7與單片機(jī)的8根數(shù)據(jù)線分別連接，實(shí)現(xiàn)PDIUSBD12與單片機(jī)之間8位數(shù)據(jù)的并行傳輸，PDIUSBD12的讀寫引腳與單片機(jī)的I/O引腳相連，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)PDIUSBD12的讀寫操作。PDIUSBD12的引腳A0是命令口和數(shù)據(jù)口的地址線，PDIUSBD12有兩種數(shù)據(jù)總線方式：多路地址/數(shù)據(jù)總線和單地址數(shù)據(jù)總線，為了盡量少占用單片機(jī)的I/O引腳，系統(tǒng)采用單地址數(shù)據(jù)總線，PDIUSBD12的引腳ALE接地，引腳A0與單片機(jī)的I/O引腳相連，A0為1時(shí)，總線D0～D7上傳輸?shù)氖敲?，A0為0時(shí)，總線D0～D7上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。PDIUSBD12的掛起引腳SUSPD和中斷引腳INT分別與單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳相連，以實(shí)現(xiàn)PDIUSBD12掛起及PDIUSBD12向單片機(jī)發(fā)出中斷。系統(tǒng)中PDIUSBD12的DMA功能沒有使用，引腳DMACK和EOT都通過一個(gè)上拉電阻連到電源。振蕩電路采用6MHz晶振，經(jīng)過PDIUSBD12內(nèi)部倍頻電路之后，PDIUSBD12內(nèi)部實(shí)際時(shí)鐘為24MHz 。引腳GL通過一個(gè)綠色指示燈和一個(gè)電阻連到電源，當(dāng)該儀器枚舉成功以后，該指示燈亮，當(dāng)計(jì)算機(jī)與該儀器進(jìn)行通訊時(shí)，此指示燈閃爍。