低軾耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計

    摘要：介紹低功非法收入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB通信接口設(shè)計方法。該設(shè)計以超低功耗單片機(jī)MSP430F13X為主控制芯片，為主控制芯片，連接Cygnal公司的UART轉(zhuǎn)USB芯片CP2101，實現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計。在IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境和VC++環(huán)境中，編輯單片機(jī)與主機(jī)的通信協(xié)議。該設(shè)計具有超低功耗、高集成度和設(shè)計簡便等優(yōu)點(diǎn)，適于便攜式電子設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞：超低功耗 MSP430 數(shù)據(jù)采集 USB接口設(shè)計

引言

實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的最小功耗是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的普通取向，也是綠色電子的基本要求。采有最小功耗設(shè)計方法既能減少電子設(shè)備的使用功耗，又能減少備用狀態(tài)下的功率消耗。在節(jié)省能源的同時還有利于減少電磁污染，有利于電子系統(tǒng)向便攜式方向發(fā)展，有助于提高系統(tǒng)的可靠性。

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高。在許多場合要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向便攜化方向發(fā)展，要求系統(tǒng)具有體積小、功耗低、傳輸速率快、使用方便靈活等特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，如何節(jié)省電能以使系統(tǒng)工作時間更長，如何通信才能使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度更快，已經(jīng)成為系統(tǒng)開發(fā)過程中必須加以考慮的主要內(nèi)容。

微控制器MSP430的超低功耗技術(shù)在眾多單片機(jī)中獨(dú)樹一幟，同時它具有集成高度等特點(diǎn)，因此，選用該控制器作為系統(tǒng)的主控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和Flash存儲等功能。此外，USB端口與以往的普通端口（串口與并口）相比具有傳輸速度快、功耗低、支持即插即用、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；因此在通信設(shè)計時，結(jié)合UART轉(zhuǎn)USB芯片CP2101以實現(xiàn)USB接口通信。上述設(shè)計既利用了MSP430的超低功耗特性，又利用了CP2101設(shè)計USB接口的簡便性，設(shè)計得到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)便攜化、低功耗、使用方便等目標(biāo)。

1 MSP430數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計

1．1 采信系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的采集、Flash存儲及USB通信等功能。單片機(jī)系統(tǒng)主要完成信息采集、A/D轉(zhuǎn)換、對信號進(jìn)行放大濾波處理、數(shù)據(jù)通信、Flash存儲等；實時時鐘記錄采集數(shù)據(jù)的時間；CP2101實現(xiàn)USB接口，并把單片機(jī)采集到的信號傳給微機(jī)；微機(jī)完成數(shù)據(jù)接收、存入數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理、計算、顯示等功能。

1．2 超低功耗MSP430微控制器

MSP430是TI公司近幾年推出的16位系列單片機(jī)。它采用最新的低功耗技術(shù)，工作在1.8～3.6V電壓下，有正常工作模式（AM）和4種低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4）；在電流電壓為3V時，各種模式的工作電流分別為AM：340μA、LPM1：70μA、LPM2：17μA、LPM3：2μA、LPM4：0.1μA，而且可以方便地在各種工作模式之間切換。它的趕低功耗性在實際應(yīng)用中，尤其是電池供電的便攜式設(shè)備中表現(xiàn)尤為突出。在系統(tǒng)初始化后進(jìn)入待機(jī)模式，當(dāng)有允許的中斷請求時，CPU將在6μ的時間內(nèi)被喚醒，進(jìn)入活動模式，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。執(zhí)行完畢，在RETI指令之后，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)低功耗模式。

本設(shè)計采用MSP430F13X微控制器。它具有非常高的集成度，單片集成了多通道12位A/D轉(zhuǎn)換、PWM功能定時器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口、大容量的片內(nèi)RAM和ROM以及Flash存儲器。其中Flash存儲器可以實現(xiàn)掉電保護(hù)和軟件升級。

1．3 USB接口芯片選型

通用串行總線USB是由Intel等廠商制定的連接計算機(jī)與具有USB接口的多種外設(shè)之間通信的串行總線。傳統(tǒng)上，USB接口的開發(fā)較為復(fù)雜。在同其它USB接口芯片相比較之后，本設(shè)計選擇了無需外部元件的UART轉(zhuǎn)USB芯片CP2101。選擇這種接口芯片，可使USB通信接口設(shè)計變得十分容易。與同類產(chǎn)品相比，CP2101具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①具有較小的封裝。CP2101為28腳5mm×5mm MLP封裝。這在PCB上的尺寸就比競爭對手小30%左右。

②高度成度。片內(nèi)集成512字節(jié)EEOROM（用于存儲廠家ID等數(shù)據(jù)），片內(nèi)集成收發(fā)器、無需外部電阻；片內(nèi)集成時鐘，無需外部晶體。

③低成本，可實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的解決方案。CP2101的USB功能無需外部元件，而大多數(shù)競爭者的USB器件則需要額外的終端晶體管、上拉電阻、晶振和EEPROM。具有競爭力的器件價格，簡化的外圍電路，無成本驅(qū)動支持使得CP2101在成本上的優(yōu)勢遠(yuǎn)超過競爭者的解決方案。

④具有低功耗、高速度的特性，符合USB2.0規(guī)范，適合于所有的UART接口（波特率為300bps～921.6kbps）。工業(yè)級溫度范圍為-40℃～85℃）。

2 USB通信的硬件接口電路

硬件電路如圖1所示。CP2101的SUSPEND與SUSPEND引腳接到MSP430F13X的普通串口上。這兩個引腳傳送USB掛起和恢復(fù)信號，此功能便于CP2101器件以及外部電路的電源管理。當(dāng)在總線上檢測到掛起信號時，CP2101將進(jìn)入掛起模式，可以節(jié)省電能。在進(jìn)入掛起模式時，CP2101會發(fā)出SUSPEND與SUSPEND信號。為了避免SUSPEND與SUSPEND在復(fù)位期間處于高電平，使用10kΩ的下拉電阻確保SUSPEND在復(fù)位期間處于低電平。

CP2101的USB功能控制器管理USB和UART間所有的數(shù)據(jù)傳輸，以及由USB主控制器發(fā)出的命令請求以及用于控制UART功能的命令等。CP2101的UART接口處理所有的RS232信號，包括控制和握手信號。CP2101的VBUS與VREGIN引腳必須始終連到USB的VBUS信號上。在VREGIN的輸入端加去耦電容（1μF與0.1μF并聯(lián)）。CP2101與單片機(jī)接口是標(biāo)準(zhǔn)UART電平，與計算的USB端口連接是USB標(biāo)準(zhǔn)電路，因此，無論與3V還是5V供電的單片機(jī)連接都不需要電平轉(zhuǎn)換。

3 USB通信接口的軟件程序設(shè)計

USB接口程序設(shè)計包括三部分：單片機(jī)程序開發(fā)、USB設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)、主機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)。三者互相配置才能完成可靠、快速的數(shù)據(jù)傳輸。其中USB設(shè)備驅(qū)動程序Cygnal公司已經(jīng)提供。這里所要編寫的是剩下的兩部分。一部分為單片機(jī)MSP430F13X的串行通信程序，即對波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、有無奇偶校驗等通信協(xié)議的設(shè)計及單片機(jī)串行通信功能控制器的設(shè)置；另一部分為主機(jī)對CP2101的通信程序，這部分要在VC++環(huán)境中調(diào)用API函數(shù)實現(xiàn)。

3．1 單片機(jī)程序設(shè)計

在IAR Embedded Workbench嵌入式集成開發(fā)環(huán)境中，編寫單片機(jī)通信程序，可實現(xiàn)在線編輯修改。MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設(shè)計的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的高效率的仿真指令。以下為系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的部分應(yīng)用程序（包括初始化及觸發(fā)UART端口程序）：

#include "msp430x13x.h"

/*************************串口*************************/

void send_byte(char sdata){

TXBUF0=sdata; /*發(fā)送數(shù)據(jù)緩存（UTXBUF0）*/

while(IFG1 & TUXIFG0)==0);/*目的操作數(shù)位測試，發(fā)送中斷標(biāo)志*/

}

/*************************main*************************/

void main (void){

char a;

uint a=0x0055;

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;/*停看門狗，WDTCTL看門狗寄存器*/

UCTL0=CHAR；/*8位接收控制寄存器URCTL線路空閑u24322異步u26080無反饋8位1位停止位u26080無校驗位*/

UTCTL0=SSEL0；/*發(fā)送控制寄存器UTCTL0，UCLK=ACLK時鐘*/

UBR00=0x0D;/*32Kb/2400b=13.65，波特率選擇寄存器*/

UBR10=0x00;/*高字節(jié)*/

UMCTL0=0x6B; /*調(diào)節(jié)*/

ME1|=UTXE0+URXE0；

/*開USART0 TXD/RXD接收/發(fā)送允許*/

IE1|=URXIF0；/*打開USART0 RX接收中斷允許位*/

P3SEL|=0x30;/*P3.4,5=USART0 TXD/RXD,選擇外圍模塊功能*/

P3DIR|=0x10;/*目標(biāo)操作數(shù)置位，P3.4=1，輸出模式*/

_EINT();/*開中斷*/

//主循環(huán)

for(;;)

{send_byet(a++);}

}

3.2 USB設(shè)備驅(qū)動程序的安裝

當(dāng)把開發(fā)板接到主機(jī)的USB端口時系統(tǒng)會提示發(fā)現(xiàn)新硬件，并要求安裝驅(qū)動程序：

先安裝CP2101的驅(qū)動程序CP2101_Drivers.exe到C：Filesto RS-232 Bridge Controller.

完成上面兩步的安裝后，在系統(tǒng)的設(shè)備管理器中會看見CP2101虛擬的那個COM口。在以后的設(shè)計中就是對這個口進(jìn)行操作。此時可能應(yīng)用串口調(diào)試助手調(diào)試下位機(jī)程序，接收發(fā)送數(shù)據(jù)。

3．3 主機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計

主機(jī)應(yīng)用程序的編寫使用VC++編譯環(huán)境中的API（應(yīng)用程序設(shè)計接口）函數(shù)實現(xiàn)。應(yīng)用程序的設(shè)計方法與串口編程類似。首先必須查找設(shè)備并打開設(shè)備的句柄，然后進(jìn)行讀寫和控制操作，最后是關(guān)閉設(shè)備句柄。為了提高效率，可使用多線程技術(shù)實現(xiàn)讀寫。具體步驟如下：

①把CP2101的動態(tài)鏈接庫CP2101.DLL文件拷貝到,或者路徑下。當(dāng)程序運(yùn)行時就能調(diào)用CP2101.DLL。

②在visual studio6.0中打開CP2101SetIDs.dsw，選擇Release或者Debug建立CP2101.EXE工程文件。

③在VC++6.0中鏈接CP2101.LIB，這時就可以應(yīng)用CP2101的動態(tài)鏈接庫了。

④在VC++里進(jìn)行編程，用API功能函數(shù)對USB堆棧、CP2101的EEPROM及數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議等進(jìn)行編程。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢時，應(yīng)用CP2101_Close()函數(shù)關(guān)閉設(shè)備句柄。可以根據(jù)實際應(yīng)用修改CP2101的VID和PID，并用相應(yīng)函數(shù)寫進(jìn)CP2101的EEPROM中。但須注意的是，修改后要用CP2101_Rest()函數(shù)使CP2101復(fù)位并重新安裝驅(qū)動程序。

4 結(jié)論

通過試驗證明，本設(shè)計能夠很好地完成USB通信，達(dá)到了預(yù)期的目的。應(yīng)用超低功耗MSP430微控制器與CP2101實現(xiàn)USB通信接口設(shè)計，具有體積小、功耗低、開發(fā)簡單、可靠性高、移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很大的優(yōu)越性。這種設(shè)計可以加以推廣應(yīng)用到其它便攜式設(shè)備開發(fā)中。