AT91SAM7X的多路USB2．0數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

目前工業(yè)和醫(yī)療上使用的USB設(shè)備，絕大部分是使用專(zhuān)用的USB芯片與微處理器相連的，特別是USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。根據(jù)不同的需求，通常也需要外擴(kuò)一定數(shù)量的A／D轉(zhuǎn)換器，接口非常復(fù)雜。有時(shí)甚至需要為了協(xié)調(diào)不同的時(shí)鐘而外擴(kuò)FIFO，這樣的設(shè)計(jì)不但成本大幅提高，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重的威脅。本文使用Atmel公司開(kāi)發(fā)的基于ARM的閃存微控制器AT91SAM7X芯片。芯片內(nèi)部集成了8路10位ADC和USB2．O設(shè)備接口，單芯片即可完成設(shè)計(jì)任務(wù)，避免了復(fù)雜的接口電路設(shè)計(jì)，不但有效地解決了以上這些問(wèn)題，而且在很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 AT91SAM7X數(shù)據(jù)采集主控芯片介紹
    AT9lSAM7X是基于32位ARM7TDMI內(nèi)核的微控制器。AT91SAM7X系列微控制器具備嵌入式10／100M以太網(wǎng)(Ethernet)MAC、CAN、全速(12 Mbps)USB 2．O。針對(duì)廣泛的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的AT9lSAM7X256還具備1個(gè)10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、2個(gè)串行外圍接口(SPI)、同步串行接口(SSC)、雙線(xiàn)接口(TWI)、3個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)、1個(gè)8級(jí)優(yōu)先中斷控制器(priority interrupt controller)和眾多的監(jiān)管功能。這個(gè)新型的50MIPS MCU擁有64 KB的靜態(tài)存儲(chǔ)器和256 KB的25 ns閃存，這種閃存支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)所需的可確定性處理能力。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
    本文設(shè)計(jì)的基于AT91SAM7X的多路USB2．O數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由6部分組成，如圖1所示，分別是輸入信號(hào)接口模塊、多路信號(hào)放大模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、USB2．O接口模塊和上位機(jī)模塊。其中，輸入信號(hào)接口模塊、多路信號(hào)放大模塊、信號(hào)調(diào)理模塊主要完成外部標(biāo)準(zhǔn)的一5～+5 V信號(hào)的隔離接人與變換。因?yàn)锳T91SAM7X的ADC允許接入的轉(zhuǎn)換電壓范圍是O～3 V，所以上述3個(gè)過(guò)程的信號(hào)變換是必要的。本系統(tǒng)主要采用的變換手段為信號(hào)的差分放大，主要部分?jǐn)?shù)據(jù)采集處理模塊和USB2．O接口模塊分別由AT91SAM7X內(nèi)置的ADC模塊和USB2．O模塊來(lái)完成。由于大部分的工作是在同一個(gè)芯片內(nèi)部完成，只需通過(guò)簡(jiǎn)單的寄存器設(shè)置和數(shù)據(jù)交換，即可完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸過(guò)程，在很大程度上優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2．2 AT91SAM7X的ADC模塊介紹
    AT91SAM7X的片內(nèi)ADC是基于連續(xù)寄存器(SAR)模型，片內(nèi)通過(guò)一個(gè)8到1的模擬復(fù)用器來(lái)實(shí)現(xiàn)8通道的模／數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC輸入范圍是O V～ADVREF。ADC支持8位和10位兩種分辨率，可以通過(guò)軟件觸發(fā)、外部ADTRG觸發(fā)引腳、內(nèi)部觸發(fā)定時(shí)器來(lái)啟動(dòng)ADC?？梢酝ㄟ^(guò)配置ADC時(shí)鐘、啟動(dòng)時(shí)間、采樣保持時(shí)間來(lái)提高ADC的精度。ADC不受電源管理器管理，有一個(gè)中斷源，如果用到ADC中斷信號(hào)，則需要配置中斷控制器(AIC)。
2．3 AT91SAM7X的USB2．O模塊介紹
    AT91SAM7X具有內(nèi)置的USB設(shè)備控制器，USB設(shè)備端口符合USB2．O全速器件規(guī)范，具有12 Mbps的通信速率。每個(gè)端點(diǎn)可以配置為幾種USB傳輸類(lèi)型中的一種。USB設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)掛起與恢復(fù)，通過(guò)中斷來(lái)停止處理器。同時(shí)，為了配合USB設(shè)備的使用并發(fā)揮其最大性能，片內(nèi)集成了328字節(jié)的雙口RAM。此雙口RAM的一個(gè)DPR段由處理器讀／寫(xiě)，另一個(gè)DPR段由USB2．O外設(shè)讀／寫(xiě)，從而有效地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髱挕?/p>

3 AT91SAM7X的配置與模塊編程
3．1 ADC模塊的配置與模塊編程
    ADC模塊功能框圖如圖2所示。ADC模塊是基于逐次逼近寄存器(SAR)的10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，集成了一個(gè)8到1的模擬多路復(fù)用器，可實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換由O V到ADVREF。同時(shí)，ADC支持8位或10位分辨率模式，并且轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)入一個(gè)所有通道可用的通用寄存器(即通道專(zhuān)用寄存器)中?？膳渲脼檐浖|發(fā)、外部觸發(fā)ADTRG引腳上升沿或內(nèi)部觸發(fā)定時(shí)計(jì)數(shù)器輸出。ADC還集成休眠模式與轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器，并與PDC通道連接。這些特性可降低功耗，減少處理器干涉。最后，用戶(hù)可配置ADC時(shí)間，如啟動(dòng)時(shí)間以及采樣與保持時(shí)間。
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用多點(diǎn)方式進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，ADVREF接3．O V的基準(zhǔn)電壓。方便起見(jiàn)，以單點(diǎn)轉(zhuǎn)換為例，說(shuō)明ADC模塊的配置與模塊編程。當(dāng)然在A／D轉(zhuǎn)換之前，系統(tǒng)時(shí)鐘和整體的配置是必需的，此處只介紹ADC模塊相關(guān)的配置與模塊編程。先將與模／數(shù)轉(zhuǎn)換相關(guān)的所有寄存器清零，以保證所有寄存器都有確定值。具體配置過(guò)程和IAR程序代碼如下：

3．2 USB2．0模塊的配置與固件編程
    USB2．0接口模塊如圖3所示。該模塊需要2個(gè)時(shí)鐘，即USB2．O器件端口時(shí)鐘和主時(shí)鐘。模塊通過(guò)APB總線(xiàn)接口訪(fǎng)問(wèn)USB2．0器件端口．通過(guò)對(duì)APB寄存器的8位值進(jìn)行讀／寫(xiě)以實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的雙口RAM的讀／寫(xiě)。外部恢復(fù)信號(hào)可選，允許在系統(tǒng)模式下喚醒USB2．O器件端口外設(shè)，然后主機(jī)將通知請(qǐng)求恢復(fù)的器件。USB2．O接口進(jìn)行枚舉時(shí)，該特性必須由主機(jī)處理。為保留檢查VBUS的I／O線(xiàn)，必須先對(duì)PIO的控制器編程，將該I／O配置為輸入PIO模式。USB2．O器件中有一條中斷線(xiàn)與高級(jí)中斷控制器AIC相連，因此，處理USB2．0器件中斷時(shí)，必須在配置USB2．0器件端口前對(duì)高級(jí)中斷控制器AIC編程。
    本系統(tǒng)中使用USB2．0接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。為便于說(shuō)明，此處以向上位機(jī)端通過(guò)USB2．0接口傳送O～9的數(shù)字，并循環(huán)10次為例，說(shuō)明USB2．0模塊的配置與同件編程。系統(tǒng)初始化完成后，此固件程序就通過(guò)USB2．0接口發(fā)送O～9的數(shù)字，循環(huán)10次后結(jié)束。具體的配置過(guò)程和IAR程序代碼如下:

    注意：在USB2．0通信接121調(diào)試過(guò)程中，一定要將USB2．0固件程序下載到AT91SAM7X的F1ash中。這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)ARM的地址重映射來(lái)完成，然后重新給USB2．0接口上電，因?yàn)橹挥性谠O(shè)備插入時(shí)上位機(jī)才檢測(cè)設(shè)備，并提示添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。如果開(kāi)發(fā)人員調(diào)試的過(guò)程中只是將程序加載到RAM中，那么由于數(shù)據(jù)掉電不會(huì)保存，固件程序在下一次插入設(shè)備時(shí)就不會(huì)存在，無(wú)論在上位機(jī)添加何種驅(qū)動(dòng)程序，上位機(jī)都不會(huì)接收到數(shù)據(jù)，這樣就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)調(diào)試過(guò)程的失敗。
3．3 USB2．0的Windows應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    上位機(jī)部分通過(guò)Visual C++6．0程序?qū)崿F(xiàn)與嵌入式硬件部分的USB通信。測(cè)試過(guò)程中，先將USB2．0固件程序下載到AT91SAM7X中，插上USB數(shù)據(jù)線(xiàn)，根據(jù)提示添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序后直接運(yùn)行設(shè)計(jì)好的Visual C++6．0程序。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

    上位機(jī)程序運(yùn)行過(guò)程中首先檢查設(shè)備的連接情況，確認(rèn)成功連接后開(kāi)始接收USB2．0設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。此處為循環(huán)10次的0～9的數(shù)字，如圖4所示，數(shù)據(jù)已經(jīng)成功傳輸?shù)搅松衔粰C(jī)端。

結(jié) 語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了基于AT91SAMTX的多路USB2．0數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以AT91SAM7X芯片為核心實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)理變換、采集和向上位機(jī)的傳輸。由于AT91SAM7X內(nèi)置了ADC模塊和USB2．0設(shè)備接口，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分方便；同時(shí)由于無(wú)需使用大量的外擴(kuò)芯片，使得硬件成本大幅降低，產(chǎn)品體積更小巧，穩(wěn)定性方面也比外擴(kuò)芯片的方式有較大幅度的提升。