通用USB接口的数据采集系统的设计

通用ＵＳＢ接口的数据采集系统的设计

张　伟

（临沂师范学院信息学院，山东　临沂　２７６００５）

摘　要：用Ｃｙｇｎａｌ公司的Ｃ８０５１ｆ０２０作为微控制器，　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的ＵＳＢＮ９６０４作为ＵＳＢ控制芯片，设计出一个数据采集系统。

关键词：单片机；ＵＳＢ；Ａ／Ｄ；数据采集中图分类号：ＴＰ３３１．２　　文献标识码：Ｂ

Design of General USB Data Acquisition System

ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ

（Ｌｉｎｙｉ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，　Ｌｉｎｙｉ　２７６００５，　Ｃｈｉｎａ）

Abstract:　Ａ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｉｎｇ　Ｃｙｇｎａｌ　Ｃ８０５１ｆ０２０　ａｓ　ＭＣＵ　ａｎｄ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＵＳＢＮ９６０４　ａｓ　ＵＳＢ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈｉｐ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Keywords: ＭＣＵ；ＵＳＢ；Ａ／Ｄ；ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ

０　引言

数据采集技术是信息技术的重要组成部分之一。信息技术的三大支柱技术是信息获取技术、通信技术和计算机技术，常被称为３Ｃ技术。其中，信息获取技术是信息技术的基础和前提，而数据采集技术是信息获取的主要手段和方法，它是以传感器技术、测试技术、电子技术和计算机技术等为基础的一门综合应用技术。

数据采集在工程领域中的地位和作用不言而喻，单片机通用数据采集系统是在单片机应用领域中使用最多的一类系统。它主要是实时采集外界连续变化的模拟量，通过模／数转换器把这些模拟信号转换成数字信号送入单片机，也可以直接采集代表某些状态特性的开关量，单片机系统对这些信号进行数据处理，并根据用户的要求，将处理后的数据送显示、打印，也可以通过串行口送给其它的计算机。如果需要，还可以通过数／模转换器变换成模拟信号控制外部设备，输出的开关量信号也可以直接用于控制目的。

目前通用的通过数据采集板卡采集的方法存在着以下缺点：安装麻烦，易受机箱内环境的干扰而导致采集数据的失真，易受计算机插槽数量和地址、中断资源的，可扩展性差。而通用串行总线ＵＳＢ的出现，很好地解决了上述问题，很容易实现便捷、低成本、易扩展、高可靠性的数据采集，代表了现代数据采集系统的发展趋势。

作者简介：张　伟，硕士，主要研究方向为计算机控制、智能控制。收稿日期：２０１０－０４－０９

１　数据采集系统概述

１．１　数据采集

数据采集就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。

数据采集系统追求的主要目标有精度和速度：对任何量值的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去采集的意义；提高数据采集的速度不仅仅可以提高工作效率，更主要的是可以扩大数据采集系统的适用范围，以便实现动态测试。

１．２　数据采集系统的基本组成

计算机数据采集系统一般由传感器、前置放大器、滤波器、多路模拟开关、采样／保持（Ｓ／Ｈ）器、Ａ／Ｄ转换器和计算机系统组成。

１．３　ＵＳＢ

ＵＳＢ的拓扑结构如图１所示。

自动化应用２０１０　　　９期

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系统解决方案

一个ＵＳＢ系统中含有３部分：ＵＳＢ　Ｈｏｓｔ、ＵＳＢ　Ｄｅｖｉｃｅ、ＵＳＢ　Ｈｕｂ。

每个ＵＳＢ系统有且只有一个Ｈｏｓｔ，它负责管理整个ＵＳＢ系统，包括ＵＳＢ　Ｄｅｖｉｃｅ的连接和删除、Ｈｏｓｔ　和ＵＳＢＤｅｖｉｃｅ的通信和总路线的控制等。

为了满足不同外设和用户的要求，ＵＳＢ提供了４种传输方式：控制传输、同步传输、中断传输和块数据传输。它们在数据格式、传输方向、数据包容量和总线访问等方面有着各自不同的特征。

２　系统硬件设计

２．１　硬件组成

基于ＵＳＢ总线的实时数据采集系统硬件组成包括模拟开关、Ａ／Ｄ转换器、单片机、ＵＳＢ接口芯片，为了扩展用途，还可以加上多路模拟开关和数字Ｉ／Ｏ端口。其硬件总体结构如图２所示。多路模拟信号经过模拟开关传到Ａ／Ｄ转换器转换为数字信号，单片机控制采集，ＵＳＢ接口芯片存储采集到的数据并将其上传至ＰＣ，同时也接收ＰＣ机ＵＳＢ控制器的控制信息。

多路信号模拟开关Ａ／Ｄ转换器单片机ＰＣ机ＵＳＢ控制器ＵＳＢ接口芯片图２　系统硬件总体结构图

基于ＵＳＢ总线的实时数据采集系统严格遵循ＵＳＢｌ．１协议，有以下特点：

（１）易于扩展。最长传输距离５ｍ，采用ＵＳＢＨｕｂ可达３０ｍ；最多可同时接１２７个设备。

（２）电磁干扰影响极小。本系统放置在计算机外部，不受板卡间的电磁干扰影响；若在电磁干扰极强的环境下工作，需专门为其设计电磁屏蔽方案。

（３）安装方便，支持即插即用。克服了以往数据采集板卡需要打开机箱的麻烦。

（４）性价比高，远优于传统的实时数据采集系统。（５）实时采集，实时显示。

２．２　芯片选择方案

在微控制器和ＵＳＢ接口的选择上有２种方式。一种是采用普通单片机加上专用的ＵＳＢ通信芯片，现在的专用芯片中较流行的有Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的ＵＳＢＮ９６０２、ＳｃａｎＬｏｇｉｃ公司的ＳＬ１１等。

另一种方案是采用具备ＵＳＢ通信功能的单片机。随着ＵＳＢ应用的日益广泛，Ｉｎｔｅｌ、ＳＧＳ－Ｔｏｍｓｏｎ、Ｃｙｐｒｅｓｓ、

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ｗｗｗ．ａｕｔｏ－ａｐｐｌｙ．ｃｏｍ自动化应用

Ｐｈｉｌｉｐｓ等芯片厂商都推出了具备ＵＳＢ通信接口的单片机。这些单片机处理能力强，有的本身就具备多路Ａ／Ｄ，构成系统的电路简单，调试方便，电磁兼容性好，因此采用具备ＵＳＢ接口的单片机是构成ＵＳＢ数据采集系统较好的方案。不过，由于具备了ＵＳＢ接口，这些芯片与过去的开发系统通常是不兼容的，需要购买新的开发系统，投资较高。

本方案的芯片选择：单片机选择Ｃｙｇｎａｌ公司的Ｃ８０５１Ｆ０２０芯片，ＵＳＢ通信控制选择ＮａｔｉｏｎａｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的ＵＳＢＮ９６０４芯片。

２．３　系统硬件框图

Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机和ＵＳＢＮ９６０４的接口电路如图３所示，该电路由Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机、ＵＳＢＮ９６０４、时钟振荡电路以及相应的外围电路组成。其中ＵＳＢＮ９６０４通过外部中断ＩＮＴ０与Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机进行通信。

３．３ＶＸＴＡＬ１ＵＳＢＡＬＥＡＬＥＣＬＫＯＵ１１．５ＫＣＯＮＮＥＣＴＯＲＷＲＷＲ２４ΩＤ＋Ｄ＋ＲＤＲＤＤ＿２４ΩＤ＿ＭＯＤＥ１ＶＣＣＣ８０５１Ｆ０２０ＭＯＤＥ０ＡＧＮＤＵＳＢＮ９６０４ＡＤ７８ＡＤ０ＡＤ７ＸＩＮ４８ＭＨｚ８ＡＤ０２２ｐＦＰ２．０ＣＳ３ｒｄｈａｒｍｏｎｉｃＲＥＳＥＴＩＮ１ＲＲＳＴＸＯＵＴ５０ｐＦＶＣＣ１００ｍＦ４７０ｍＨＶＣＣ１０μＦＩＮ１０ｋ４１４８１０μＦ图３　Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机和ＵＳＢＮ９６０４的接口电路Ｃ８０５１Ｆ２０２０单片机与ＵＳＢＮ９６０４的并行连接有非复用和复用２种方式。它们可通过设置引脚ＭＯＤＥ０、ＭＯＤＥｌ来选择。在非复用方式时，可用控制引脚ＣＳ、ＲＤ、ＷＲ、地址引脚Ａ０和双向数据线Ｄ［７：０］实现相应的地址读写。而在复用方式时，则使用控制引脚ＣＳ、ＲＤ、ＷＲ、地址锁存信号ＡＬＥ和双向数据线Ｄ［７：０］实现其地址读写。

多路模拟输入信号经多路模拟开关控制将其中的一路接入串行Ａ／Ｄ转换器，Ａ／Ｄ转换器经光电隔离后串行输出到移位寄存器，移位寄存器将此结果转为８位并行数据，Ｃ８０５１系统通过８位的并行接口传送Ａ／Ｄ转换器采集的数据，存储在ＦＩＦＯ存储器中；一旦ＦＩＦＯ存满，ＳＩＥ立刻对数据进行处理，然后Ｃ８０５１Ｆ０２０系统将数据从

系统解决方案

ＦＩＦＯ存储器中读出，由收发器通过数据线（Ｄ＋、Ｄ－）送至主机。图３中ＵＳＢＮ９６０４的ＣＬＫＯＵＴ与Ｃ８０５１Ｆ０２０的ＸＴＡＬ１相连，即ＵＳＢＮ９６０４的时钟输出为Ｃ８０５１Ｆ０２０提供时钟输入。ＵＳＢＮ９６０４的复位端接ＲＣ电路以保证复位电路可靠地工作。由于晶振频率较高，结合ＵＳＢＮ９６０４内部网络，在ＸＯＵＴ端串接１００ｍＦ电容及４７０ｍＨ电感，起稳定内部振荡频率的作用。

设计的主要功能：模拟数据被Ｃ８０５１Ｆ０２０的ＡＤＣ采集并进行处理，Ｃ８０５１Ｆ０２０通过ＵＳＢ控制器把它发送到Ｈｏｓｔ（ＰＣ或者是工作台），相反，Ｈｏｓｔ可以把这数据发送给ＵＳＢ控制器。信号处理框图如图４所示。

通常由３部分组成：初始化部分，初始化单片机和所有的外围电路（包括ＵＳＢＮ９６０４）；主循环部分，其任务是可以中断的；中断服务程序，其任务是对时间敏感的，必须马上执行。

初始化ＵＳＢ须使用ＵＳＢ读／写函数对ＵＳＢ控制器内部的控制寄存器进行设置。

中断服务程序处理ＵＳＢ控制器产生的中断，将数据从ＵＳＢ内部ＦＩＦＯ读出，并建立正确的事件标志，以通知主循环程序处理。

初始化单片机主要就是对ＡＤＣ进行初始化。

４　结论

ＵＳＢ为计算机外设输入输出提供了新的接口标准。它使设备具有热插拔、即插即用、自动配置的能力，并标准化设备连接。ＵＳＢ的级联星型拓扑结构大大扩充了外设数量，使用外设更加便捷，快速。而新提出的ＵＳＢ２．０标准更是将数据传输速率提高到了一个新的高度，可以说，ＵＳＢ接口具有很好的应用前景。

参考文献

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ＵＳＢＩｎｔｅｒｆａｃｅＣ８０５１ｆ０２０Ｓｙｓｔｅｍ信号调理电路信号

Ｈｏｓｔ图４　信号的处理框图

３　系统软件设计

一个ＵＳＢ设备的软件一般包括主机的驱动程序、应用程序和固件程序。

固件实际上是单片机的程序文件，存放在单片机中，包括ＵＳＢ设备的连接、ＵＳＢ协议、中断处理等。

ＵＳＢ固件程序的结构一般是基于中断处理的。主程序做完必要的初始化工作后，就等待ＵＳＢ中断的产生，中断产生后，根据中断状态对相应的端点读取数据，或是向相应的端点发送数据。ＵＳＢ单片机控制程序

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（３）滤波器投切控制模块。

依据现场实际对象的多样性及运行的不确定性，为达到最佳滤波效果，装置为并联多重投切控制方案。在投切多组ＡＰＦ装置时，为防止电路电压冲击，采用了先接入低次滤波器，后高次滤波器的投切顺序；切除时顺序则相反。此外，控制方法加入有既能避免运行中滤波器投切的频繁动作，又可防止反应过于迟缓的措施。

（４）滤波器装置保护模块。

每个滤波器装置［４］运行，并设置有过压、失压、零序电压保护，过流、过负荷、零序电流保护等；由于常规电压电流继电器无法正确感应电路中的高次谐波，故采用了高次谐波成分的保护算法，由微机以保护中断服务程序形式实现。

３　结语

提出了新的谐波滤波器微机监控装置，以瞬时无功功率理论为基础，改善了原有的单个ＡＰＦ装置，采用多重ＡＰＦ结构。该系统集谐波测量、滤波器控制于一体，是谐波滤波器安全有效运行的有力保证。该装置已安装运行，效果良好，稳定可靠。

参考文献

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