基于USB的数据采集系统的设计与研究

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                    　　1引 言
　　数据采集作为获取信息的手段，越来越多的应用在各种工业系统中。目前数据采集系统多以PCI，ISA或。
　　EPP／ECP等完成数据的传输，这些方式开发调试比较困难，安装不便，通用性和可移植性差；而且PC上的插槽数量、地址、中断资源的有限导致这些方式的可扩展性差［1］。目前广泛应用的USB总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，USB 2．O的传输速率可达到480 Mb／s，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势之一［2］。
　　2 EZ-USB FX2以及CY7C68013的特点
　　本文选择C2ypress公司LISB接口芯片CY7C268013(56一pin)，该芯片属于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个芯片上集成了USB收发器(USB Transceiver)，串行接口引擎(Serial Interface Engine，SIE)，CPU(增强型8051微控制器)和一个通用可编程GPIF接口(General ProgrammableInterface，GPIF)。集成的LISB收发器通过USB电缆的D+和D一线连接到主机，串行接口引擎(SIE)进行数据的编码和解码、完成错误校验、位填充和其他USB需要的信号级任务。
　　最终，SIE传输来自或将要到达USB接口的数据。FX2的SIE可以在全速(12 Mb／s)和高速(480 Mb／s)两种速率下运行。为了适应USB 2．O增加的带宽，FX2端点FIFO(First In FirstOut)和Slave FIFO(同外部逻辑或处理器连接的缓冲区)组合在一起，这样可以节省内部数据之间的传送所消耗的时间。CPU是具有快速的执行时间和更多特点的增强型8051，他把内部RAM用作程序和数据存储。
　　CY7C68013有以下主要特征：
　　(1)软件。8051从下载到内部RAM的程序开始运行，这个特征允许固件程序通过主机下载到芯片内部RAM中，从而方便了调试和固件的改写。
　　(2)四个可编程。BULK／INTERRUPT／ISOCHRO一NOUS端点，可以是双缓冲区，三缓冲区或者四缓冲区，这样可以根据外部数据的速率调整缓冲区的宽度和深度，以适应不同的需要。
　　(3)GPIF。允许直接连接到大多数并行接口：8位和16位；由可编程波形述符和配置寄存器来定义波形；支持多个Ready(RDY)输入和Control(CTL)输出。
　　(4)3．3 V。电压供电，减小了控制器的功耗。
　　3数据采集系统的硬件设计
　　本系统主要由模数部分、通信部分和电源转换3个部分组成。整个数据采集系统完成对信号的采集、传输和存储。图1为本采集系统结构框图。






　　CY7C68013用自己的片内晶振电路和一个外部24 MHz晶振组成系统的时钟电路。他有一个片内锁相环(PLL)电路，利用PLL可以把24 MHz振荡器频率倍频至480 MHz供收发器使用。内部计数器把24 MHz的频率分频为内部8051需要的默认的12 MHz的时钟频率。XTALIN和XTALOUT分别为晶振的输入和输出引脚，分别与晶振相连，同时，晶振的两个引脚分别通过一个20～33 pF的负载电容接地。DMINUS和DPLUS为USB的D+，D一信号线，分别和LISB连接器的相应引脚相接。LJSB连接器上的VBUS和GND为总线电源线，整个系统的所需要的各种电压都是通过该电源转换而得到。SCL和SDA分别为I2C总线的时钟线和数据线，在本设计中，系统的固件程序采取从主机下载的方法。因此，这里无需连接外部E2PROM，这两个引脚要分别通过一个2．2 Ω的电阻连接到电源引脚VCC上。RESERVED引脚为芯片的保留引脚，通过一个2．2 Ω接地。
　　RESET引脚为芯片的复位引脚。该引脚有一个滞后作用并且低电平有效。因为内部锁相环在VCC升至3．3 V后大约200 μs保持稳定，所以，RESET引脚所连接的外部RC网络要取适当的值来满足这个需要，典型的取值为：R-100 kΩ，C=0．1μF。wAKEUP为唤醒引脚，在805l和芯片的其他部分为低功耗状态时，USB系统挂起，PLL和晶振停止工作，当外部逻辑触发wAKEUP，晶振重新工作之后，PLL趋于稳定，同时，8051也会收到一个唤醒中断。RDY0，CTLO，CTL1引脚分别和对应ADC及其外围电路的接口相连，FD[15：0]分别和ADC的对应数据线连接。
　　3．2 A／D采样通道设计
　　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，这样每次可以按字(2个8位)读取数据。考虑到ADC0804的廉价，并且省去了连接多路选择器和其相关的控制接口电路等因素，提高系统的可靠性，利用2片AI)C0804同时与GPIF接口相连接，避免了利用多路开关时的所需的转换时间m56,在程序部分，也省去了选择模拟信号通道部分。
　　3．3 电源电路设计
　　在本设计中，需要3种大小不同的供电电源，除了ADC0804需要的+5 V供电电源外，还有CY7C68013需要的+3．3 V的供电电源，模数转换器ADC0804需要的+2．5 V的基准电压电源。由于整个系统可以使用总线电源供电，不需要外加电源，因此需要把+5 V的总线电源转换为系统各个部分所需的电源。+3．3 V电源是CY7C68013所需芯片供电电压。设计中，选用的是MAxIM公司的电源转换芯片MAX882n 0，连接电路如图3所示。






　　4．2驱动程序的编写
　　数据采集系统的设备驱动程序和应用程序都是设备的主机端程序。设备驱动程序是硬件和应用程序之间的桥梁，通过驱动程序，应用程序可以对硬件进行控制。该系统需要2个驱动程序，即通用驱动和下载固件的驱动。通用驱动完成与外设和用户程序的通信及控制；而下载固件的驱动则只负责在外设连接LISB总线后把特定的固件程序下载到FX2的RAM中，使FX2的CPU重启，模拟断开与USB总线的连接，完成对外设的重新设置。主机根据新的设置安装通用驱动程序，重新枚举外设为一个新的USB设备。
　　在本系统的驱动程序开发中，使用的开发工具是Jun-go公司的winDriver，他支持多种操作系统。winDriver开发的优点是用户不需要了解操作系统内部的具体工作机理，同时也不需要了解各个系统DDK(Developing orDebugging in Kernel)的开发工具，用户只需使用winDriv-er提供的开发平台，即可完成驱动程序的设计工作，剩下的底层细节由winDrivei内核统一处理。从而降低了对开发者编程能力的要求，同时也大大缩短了开发周期。下面就使用winDriver开发驱动程序的步骤做简要说明：
　　启动winDrivet。的Dri veiwizard工具；利用Driver--wizard检测硬件是否正常；在Driverwizard中选择所使用的开发环境，这里使用VC++6．0开发环境，并生成驱动程序代码；对生成的代码进行修改，使其符合系统的需要；在winDrivet环境的用户模式下，调试驱动程序；如果程序需要内核访问以提高驱动程序的效率，进入内核开发。
　　4．3 用户程序的编写
　　用户程序是系统与用户的接口，他通过通用驱动程序完成对外设的控制和通信。在编写用户程序时，首先要建立与外设的连接，然后才能实施数据的传输。启动采样后，为了保证不丢失数据，用户程序应该建立一个工作线程专门获取外设传来的数据。程序中主要用到2个API函数：CreateFile()和DeviceloControl()。CreateFile()取得设备句柄后，DeviceloControl()根据该句柄完成数据传输。程序框图如图5所示。






　　5 结 语
　　本文系统地介绍了基于USB接口的数据采集系统，完成了软硬件的设计工作。数据采集系统具有最大20 kS／s的采样速率，8位分辨率，采样精度小于1％，输入范围为一5～+5 V。在本数据采集系统的设计中，CY7C68013芯片灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件的设计，提高了系统的可靠性，也利于PCB板的制作与调试。基于USB 2．0的数据采集卡可以即插即用，弥补了传统采集板卡插拔困难的不足。随着时代的进步，技术的发展，USB必将在更广阔的领域得到更深层次的运用。