低功耗数据采集系统的USB接口设计

实现系统运行的最小功耗是现代电子系统的普遍取向,也是绿色电子的基本要求。采用最小功耗设计方法既能减少电子设备的使用功耗,又能减少备用状态下的功率消耗。在节省能源的同时还有利于减少电磁污染,有利于电子系统向便携化方向发展,有助于提高系统的可靠性[1]。

现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高[2]。在许多场合要求数据采集系统向便携化方向发展,要求系统具有体积小、功耗低、传输速度快、使用方便灵活等特点。在数据采集系统中,如何节省电能以使系统工作时间更长,如何通信才能使系统数据传输速度更快,已经成为系统开发过程中必须加以考虑的主要内容。

微控制器MSP430的超低功耗技术在众多单片机中独树一帜,同时它具有集成度高等特点,因此,选用该控制器作为系统的主控制器,实现数据采集和Flash存储等功能。此外,USB端口与以往的普通端口(串口与并口)相比具有传输速度快、功耗低、支持即插即用、维护方便等优点;因此在通信设计时,结合UART转USB芯片CP2101以实现USB接口通信。上述设计既利用了MSP430的超低功耗特性,又利用了CP2101设计USB接口的简便性,设计得到的数据采集系统可以实现便携化、低功耗、使用方便等目标。

1 MSP430数据采集系统的USB接口设计

1.1 采集系统简介

本系统实现多路数据的采集、Flash存储及USB通信等功能。单片机系统主要完成信号采集、A/D转换、对信号进行放大滤波处理、数据通信、Flash存储等;实时时钟记录采集数据的时间;CP2101实现USB接口,并把单片机采集到的信号传给微机;微机完成数据接收、存入数据库、数据处理、计算、显示等功能[3]。

1.2 超低功耗MSP430微控制器

MSP430是TI公司近几年推出的16位系列单片机。它采用最新的低功耗技术,工作在1.8～3.6V电压下,有正常工作模式(AM)和4种低功耗工作模式(LPM1、LPM2、LPM3、LPM4);在电源电压为3V时,各种模式的工作电流分别为AM：340μA、LPM1：70μA、LPM2：17μA、LPM3：2μA、LPM4：0.1μA,而且可以方便地在各种工作模式之间切换。它的超低功耗性在实际应用中,尤其是在电池供电的便携式设备中表现尤为突出。在系统初始化后便进入待机模式,当有允许的中断请求时,CPU将在6μs的时间内被唤醒,进入活动模式,执行中断服务程序。执行完毕,在RETI指令之后,系统返回到中断前的状态,继续低功耗模式[4]。

本设计采用MSP430F13X微控制器。它具有非常高的集成度,单片集成了多通道12位A/D转换、PWM功能定时器、斜边A/D转换、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器(DCO)、大量的I/O端口、大容量的片内RAM和ROM以及Flash存储器。其中Flash存储器可以实现掉电保护和软件升级。

1.3 USB接口芯片选型

通用串行总线USB是由Intel等厂商制定的连接计算机与具有USB接口的多种外设之间通信的串行总线[5]。传统上,USB接口的开发较为复杂。在同其它USB接口芯片相比较之后,本设计选择了无需外部元件的UART转USB芯片CP2101。选择这种接口芯片,可使USB通信接口设计变得十分容易。与同类产品相比,CP2101具有以下优点：

① 具有较小的封装。CP2101为28脚5mm×5mm MLP封装。这在PCB上的尺寸就比竞争对手小30%左右。
　　② 高集成度。片内集成512字节EEPROM(用于存储厂家ID等数据),片内集成收发器、无需外部电阻;片内集成时钟,无需外部晶体。
　　③低成本,可实现USB转串口的解决方案。CP2101的USB功能无需外部元件,而大多数竞争者的USB器件则需要额外的终端晶体管、上拉电阻、晶振和EEPROM。具有竞争力的器件价格,简化的外围电路,无成本驱动支持使得CP2101在成本上的优势远超过竞争者的解决方案。
　　④ 具有低功耗、高速度的特性,符合USB2.0规范,适合于所有的UART接口(波特率为300bps~921.6kbps)。工业级温度范围为-40℃~85℃[6]。

2 USB通信的硬件接口电路

硬件电路如图1所示。CP2101的SUSPEND与引脚接到MSP430F13X的普通串口上。这两个引脚传送USB挂起和恢复信号,此功能便于CP2101器件以及外部电路的电源管理。当在总线上检测到挂起信号时,CP2101将进入挂起模式,可以节省电能。在进入挂起模式时,CP2101会发出SUSPEND与信号。为了避免SUSPEND与在复位期间处于高电平,使用10kΩ的下拉电阻确保在复位期间处于低电平。

CP2101的USB功能控制器管理USB和UART间所有的数据传输,以及由USB主控制器发出的命令请求以及用于控制UART功能的命令等。CP2101的UART接口处理所有的RS232信号,包括控制和握手信号。CP2101的VBUS与VREGIN引脚必须始终连到USB的VBUS信号上。在VREGIN的输入端加去耦电容(1μF