基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

   1引 言
        數(shù)據(jù)采集作為獲取信息的手段，越來越多的應(yīng)用在各種工業(yè)系統(tǒng)中。目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多以PCI，ISA或。

        EPP／ECP等完成數(shù)據(jù)的傳輸，這些方式開發(fā)調(diào)試比較困難，安裝不便，通用性和可移植性差；而且PC上的插槽數(shù)量、地址、中斷資源的有限導(dǎo)致這些方式的可擴(kuò)展性差［1］。目前廣泛應(yīng)用的USB總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，USB 2．O的傳輸速率可達(dá)到480 Mb／s，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)之一［2］。

       2 EZ-USB FX2以及CY7C68013的特點(diǎn)

       本文選擇C2ypress公司LISB接口芯片CY7C268013(56一pin)，該芯片屬于EZ-IJSB FX2系列。Cypress EZ-USBFX2是世界上第一款USB 2．O集成微控制器［3］。其在1個(gè)芯片上集成了USB收發(fā)器(USB Transceiver)，串行接口引擎(Serial Interface Engine，SIE)，CPU(增強(qiáng)型8051微控制器)和一個(gè)通用可編程GPIF接口(General ProgrammableInterface，GPIF)。集成的LISB收發(fā)器通過USB電纜的D+和D一線連接到主機(jī)，串行接口引擎(SIE)進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼和解碼、完成錯(cuò)誤校驗(yàn)、位填充和其他USB需要的信號(hào)級(jí)任務(wù)。

       最終，SIE傳輸來自或?qū)⒁竭_(dá)USB接口的數(shù)據(jù)。FX2的SIE可以在全速(12 Mb／s)和高速(480 Mb／s)兩種速率下運(yùn)行。為了適應(yīng)USB 2．O增加的帶寬，F(xiàn)X2端點(diǎn)FIFO(First In FirstOut)和Slave FIFO(同外部邏輯或處理器連接的緩沖區(qū))組合在一起，這樣可以節(jié)省內(nèi)部數(shù)據(jù)之間的傳送所消耗的時(shí)間。CPU是具有快速的執(zhí)行時(shí)間和更多特點(diǎn)的增強(qiáng)型8051，他把內(nèi)部RAM用作程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

       CY7C68013有以下主要特征：

       (1)軟件。8051從下載到內(nèi)部RAM的程序開始運(yùn)行，這個(gè)特征允許固件程序通過主機(jī)下載到芯片內(nèi)部RAM中，從而方便了調(diào)試和固件的改寫。

       (2)四個(gè)可編程。BULK／INTERRUPT／ISOCHRO一NOUS端點(diǎn)，可以是雙緩沖區(qū)，三緩沖區(qū)或者四緩沖區(qū)，這樣可以根據(jù)外部數(shù)據(jù)的速率調(diào)整緩沖區(qū)的寬度和深度，以適應(yīng)不同的需要。

        (3)GPIF。允許直接連接到大多數(shù)并行接口：8位和16位；由可編程波形述符和配置寄存器來定義波形；支持多個(gè)Ready(RDY)輸入和Control(CTL)輸出。

       (4)3．3 V。電壓供電，減小了控制器的功耗。

       3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

       本系統(tǒng)主要由模數(shù)部分、通信部分和電源轉(zhuǎn)換3個(gè)部分組成。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對(duì)信號(hào)的采集、傳輸和存儲(chǔ)。圖1為本采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

       主要工作流程：經(jīng)過調(diào)理的模擬信號(hào)經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC0804)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；USB2．O控制器負(fù)責(zé)把ADC轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)讀取到其內(nèi)部FIFO緩沖區(qū)，由程序判斷ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)束；中斷信號(hào)決定ADC上的數(shù)據(jù)是否有效。PC的用戶應(yīng)用程序發(fā)出接收數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，并由設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)決定是否開始傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別設(shè)備后加載驅(qū)動(dòng)程序，USB控制器的固件程序通過USB電纜從主機(jī)自動(dòng)下載到其內(nèi)部程序RAM中，并經(jīng)過列舉和重列舉后開始正常工作，計(jì)算機(jī)可以通過用戶軟件取得系統(tǒng)的各種配置信息。USB控制器以GPIF(通用可編程接口)Master模式控制數(shù)據(jù)采集和讀取，并通過CY7C68013 GPIF的"波形圖"控制ADC的采集和讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序。

       3．1 USB控制器外圍電路設(shè)計(jì)

       USB控制器及其外圍電路組成了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取和傳輸模塊，這部分主要負(fù)責(zé)讀取和傳輸ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)與PC機(jī)的通信，從而完成這個(gè)系統(tǒng)的功能。由于CY7C68013把多重功能都集成到一個(gè)片子上，所以外部電路顯得不是很復(fù)雜，與一般的電路比較，減少了電路復(fù)雜的外部數(shù)據(jù)線和信號(hào)線的連接，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性［4］。LISB控制器部分外圍電路原理圖如圖2所示。

       CY7C68013用自己的片內(nèi)晶振電路和一個(gè)外部24 MHz晶振組成系統(tǒng)的時(shí)鐘電路。他有一個(gè)片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL)電路，利用PLL可以把24 MHz振蕩器頻率倍頻至480 MHz供收發(fā)器使用。內(nèi)部計(jì)數(shù)器把24 MHz的頻率分頻為內(nèi)部8051需要的默認(rèn)的12 MHz的時(shí)鐘頻率。XTALIN和XTALOUT分別為晶振的輸入和輸出引腳，分別與晶振相連，同時(shí)，晶振的兩個(gè)引腳分別通過一個(gè)20～33 pF的負(fù)載電容接地。DMINUS和DPLUS為USB的D+，D一信號(hào)線，分別和LISB連接器的相應(yīng)引腳相接。LJSB連接器上的VBUS和GND為總線電源線，整個(gè)系統(tǒng)的所需要的各種電壓都是通過該電源轉(zhuǎn)換而得到。SCL和SDA分別為I2C總線的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的固件程序采取從主機(jī)下載的方法。因此，這里無需連接外部E2PROM，這兩個(gè)引腳要分別通過一個(gè)2．2 Ω的電阻連接到電源引腳VCC上。RESERVED引腳為芯片的保留引腳，通過一個(gè)2．2 Ω接地。

       RESET引腳為芯片的復(fù)位引腳。該引腳有一個(gè)滯后作用并且低電平有效。因?yàn)閮?nèi)部鎖相環(huán)在VCC升至3．3 V后大約200 μs保持穩(wěn)定，所以，RESET引腳所連接的外部RC網(wǎng)絡(luò)要取適當(dāng)?shù)闹祦頋M足這個(gè)需要，典型的取值為：R-100 kΩ，C=0．1μF。wAKEUP為喚醒引腳，在805l和芯片的其他部分為低功耗狀態(tài)時(shí)，USB系統(tǒng)掛起，PLL和晶振停止工作，當(dāng)外部邏輯觸發(fā)wAKEUP，晶振重新工作之后，PLL趨于穩(wěn)定，同時(shí)，8051也會(huì)收到一個(gè)喚醒中斷。RDY0，CTLO，CTL1引腳分別和對(duì)應(yīng)ADC及其外圍電路的接口相連，F(xiàn)D[15：0]分別和ADC的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)線連接。

       3．2 A／D采樣通道設(shè)計(jì)

       本文采用的是CY7C68013的GPIF工作模式，因此直接利用了GPIF的16位并行接口，這樣每次可以按字(2個(gè)8位)讀取數(shù)據(jù)?？紤]到ADC0804的廉價(jià)，并且省去了連接多路選擇器和其相關(guān)的控制接口電路等因素，提高系統(tǒng)的可靠性，利用2片AI)C0804同時(shí)與GPIF接口相連接，避免了利用多路開關(guān)時(shí)的所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間m56,在程序部分，也省去了選擇模擬信號(hào)通道部分。

       3．3 電源電路設(shè)計(jì)

       在本設(shè)計(jì)中，需要3種大小不同的供電電源，除了ADC0804需要的+5 V供電電源外，還有CY7C68013需要的+3．3 V的供電電源，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804需要的+2．5 V的基準(zhǔn)電壓電源。由于整個(gè)系統(tǒng)可以使用總線電源供電，不需要外加電源，因此需要把+5 V的總線電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各個(gè)部分所需的電源。+3．3 V電源是CY7C68013所需芯片供電電壓。設(shè)計(jì)中，選用的是MAxIM公司的電源轉(zhuǎn)換芯片MAX882n 0，連接電路如圖3所示。

    模／數(shù)轉(zhuǎn)換器需要外部提供基準(zhǔn)電壓，ADC0804需要+2．5 V電壓，而且基準(zhǔn)電壓是否穩(wěn)定、精確，直接影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度。而NationalSemiconductor公司的LM336-2．5 V是一個(gè)能提供精確+2．5 V電壓的器件，他的集成電路是精確的2．5 V并聯(lián)推挽穩(wěn)壓二極管組成，還有一個(gè)用來調(diào)節(jié)溫度對(duì)電壓影響的引腳ADJ。芯片所產(chǎn)生的2．5 V的電壓可以很方便的從5 V電壓系統(tǒng)中獲得。

       4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

       該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由3部分組成：USB固件程序(Firmware)、I_JSB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及客戶應(yīng)用程序。3部分程序之間相互協(xié)作來完成整個(gè)采集卡的功能。

       4．1 固件程序設(shè)計(jì)

       固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備CPU中的程序。只有在該程序運(yùn)行時(shí)，外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備。固件程序負(fù)責(zé)初始化各硬件單元，重新配置設(shè)備及A／D采樣控制。固件代碼的存儲(chǔ)位置有3種：第一種是存在主機(jī)中，設(shè)備加電后由驅(qū)動(dòng)程序把固件下載到片內(nèi)RAM后執(zhí)行，即"重新枚舉"；第二種方法是把固件代碼固化到一片E2PRAM中，外設(shè)加電后由FX2通過I21C總線下載到片內(nèi)RAM后自動(dòng)執(zhí)行；最后一種方法是把程序固化到一片R()M中，使之充當(dāng)外部程序存儲(chǔ)器，連在FX2三總線上。本文選用第一種方式，這種方式便于系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)。

       Cypress公司為CY7C68013提供了一個(gè)開發(fā)框架，可以在KEILC51環(huán)境下開發(fā)。由于開發(fā)框架的引入，大大縮短了用戶的研發(fā)周期。該框架由以下幾部分組成：

       (1)Fw．C中包含了程序框架的MAIN函數(shù)，管理整個(gè)51內(nèi)核的運(yùn)行，因?yàn)镃ypreSS對(duì)這個(gè)部分的功能進(jìn)行了精心劃分，一般是不用改動(dòng)的。

       (2)用戶必須將PERIP H．C實(shí)例化，他負(fù)責(zé)系統(tǒng)周邊器件的互聯(lián)。固件的設(shè)計(jì)主要針對(duì)這個(gè)文件，用戶必須根據(jù)自己系統(tǒng)的需要，實(shí)例化這個(gè)文件，以實(shí)現(xiàn)自己的功能。在這個(gè)文件中有幾個(gè)函數(shù)是比較關(guān)鍵的，在這里做特別說明：

       TD Init函數(shù)，負(fù)責(zé)對(duì)USB端點(diǎn)進(jìn)行初始化設(shè)置。本設(shè)計(jì)中將端點(diǎn)6設(shè)置為1 024個(gè)字節(jié)，緩存深度為4級(jí)，模式設(shè)為自動(dòng)輸入方式。

       TD Poll函數(shù)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中循環(huán)任務(wù)的處理。他主要是對(duì)各個(gè)端點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行查詢，處理各種OUT或IN端點(diǎn)的交互。值得說明的一點(diǎn)是，這種處理只是輔助性質(zhì)的，大部分工作由硬件自動(dòng)完成。

       GPIFINIT．C，其中只有一個(gè)Gpiflnit函數(shù)；他是GPIF模塊的初始化函數(shù)，一般在TD Init函數(shù)中調(diào)用。這個(gè)函數(shù)是由Cypress公司提供的一個(gè)GPIF、Designer開發(fā)工具根據(jù)用戶設(shè)計(jì)的波形生成的，用戶不需要自己設(shè)計(jì)波形查詢表，減輕了設(shè)計(jì)者的工作強(qiáng)度。DSCR．A51是描述表文件，負(fù)責(zé)LISB設(shè)備的描述工作，CY7C68013在上電后自動(dòng)利用其中的VID和PID取代默認(rèn)的VID和PID。

       4．2驅(qū)動(dòng)程序的編寫

       數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序都是設(shè)備的主機(jī)端程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是硬件和應(yīng)用程序之間的橋梁，通過驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序可以對(duì)硬件進(jìn)行控制。該系統(tǒng)需要2個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，即通用驅(qū)動(dòng)和下載固件的驅(qū)動(dòng)。通用驅(qū)動(dòng)完成與外設(shè)和用戶程序的通信及控制；而下載固件的驅(qū)動(dòng)則只負(fù)責(zé)在外設(shè)連接LISB總線后把特定的固件程序下載到FX2的RAM中，使FX2的CPU重啟，模擬斷開與USB總線的連接，完成對(duì)外設(shè)的重新設(shè)置。主機(jī)根據(jù)新的設(shè)置安裝通用驅(qū)動(dòng)程序，重新枚舉外設(shè)為一個(gè)新的USB設(shè)備。

       在本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)中，使用的開發(fā)工具是Jun-go公司的winDriver，他支持多種操作系統(tǒng)。winDriver開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是用戶不需要了解操作系統(tǒng)內(nèi)部的具體工作機(jī)理，同時(shí)也不需要了解各個(gè)系統(tǒng)DDK(Developing orDebugging in Kernel)的開發(fā)工具，用戶只需使用winDriv-er提供的開發(fā)平臺(tái)，即可完成驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)工作，剩下的底層細(xì)節(jié)由winDrivei內(nèi)核統(tǒng)一處理。從而降低了對(duì)開發(fā)者編程能力的要求，同時(shí)也大大縮短了開發(fā)周期。下面就使用winDriver開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的步驟做簡(jiǎn)要說明：

       啟動(dòng)winDrivet。的Dri veiwizard工具；利用Driver--wizard檢測(cè)硬件是否正常；在Driverwizard中選擇所使用的開發(fā)環(huán)境，這里使用VC++6．0開發(fā)環(huán)境，并生成驅(qū)動(dòng)程序代碼；對(duì)生成的代碼進(jìn)行修改，使其符合系統(tǒng)的需要；在winDrivet環(huán)境的用戶模式下，調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序；如果程序需要內(nèi)核訪問以提高驅(qū)動(dòng)程序的效率，進(jìn)入內(nèi)核開發(fā)。

       4．3 用戶程序的編寫

       用戶程序是系統(tǒng)與用戶的接口，他通過通用驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)外設(shè)的控制和通信。在編寫用戶程序時(shí)，首先要建立與外設(shè)的連接，然后才能實(shí)施數(shù)據(jù)的傳輸。啟動(dòng)采樣后，為了保證不丟失數(shù)據(jù)，用戶程序應(yīng)該建立一個(gè)工作線程專門獲取外設(shè)傳來的數(shù)據(jù)。程序中主要用到2個(gè)API函數(shù)：CreateFile()和DeviceloControl()。CreateFile()取得設(shè)備句柄后，DeviceloControl()根據(jù)該句柄完成數(shù)據(jù)傳輸。程序框圖如圖5所示。

       5 結(jié) 語

       本文系統(tǒng)地介紹了基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了軟硬件的設(shè)計(jì)工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有最大20 kS／s的采樣速率，8位分辨率，采樣精度小于1％，輸入范圍為一5～+5 V。在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，CY7C68013芯片靈活的接口和可編程特性簡(jiǎn)化了外部硬件的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性，也利于PCB板的制作與調(diào)試。基于USB 2．0的數(shù)據(jù)采集卡可以即插即用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)采集板卡插拔困難的不足。隨著時(shí)代的進(jìn)步，技術(shù)的發(fā)展，USB必將在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的運(yùn)用。