结合USB和微处理器的数据采集系统

　　1 引言

　　现代工控自动化和科学研究对数据采集的要求日益提高， 在一些实时信号测量和图像处理等领域要进行高速精确数据采集，通用串行总线（USB 数据总线）已经在各种计算机中得到普及，并成为计算机的标准外设，它具有安装方便、通用、高速传输、支持热插拔即插即用可开发成本低等优点。在工控领域经常需要采集数据并将数据传输到计算机中进行处理，工业控制中应用广泛的是微处理器。USB 总线和微处理器结合，非常适合现场数据采集等，在工业控制中有广阔的应用前景。文中介绍一种USB采集系统，是二者有效结合使用的例子。

　　2 数据采集系统开发概述

　　USB 控制器主要有两种：一种是带USB 接口的单片机（MCU）；另一种是专用的USB 接口芯片。本系统选择专用的USB 接口芯片，这就必须有一个位处理器进行协议处理和数据交换。专用USB 接口芯片的优点是价格便宜。接口方便和可靠性高，它尤其适合于产品的改型设计， 硬件上仅需对并行总线和中断进行改动， 软件则需要增加微处理器的USB 中断处理和数据交换程序以及PC机的USB 接口通信程序，无需对原有产品系统结构作很大的改动。

　　一般USB 接口芯片都支持多种并行总线结构， 可方便地与多种单片机接口。硬件设计中要注意USB 接口芯片的时钟速度较高。如果芯片内部没有PLL 倍频，则单片机晶体振荡频率应该注意与之匹配，USB 设备的软件设计主要包括两部分：

　　1）、USB 设备端的单片机软件，完成USB 协议处理与数据交换以及其他应用功能软件，完成USB 协议处理与数据交换以及其他应用功能程序；

　　2）、PC 机端的程序由USB 通信程序和用户服务程序两部分组成。

　　用户服务程序通过USB 通信程序与系统USBDI（USB device interface）通信，由系统完成USB 协议处理与数据传输。PC 端程序的开发难度较大，而文中介绍的系统不需要用户熟悉USB 协议以及Windows体系结构等就可以很快开发。下面从硬件和软件两方面介绍一个便携式USB 数据采集系统的开发。

　　3 硬件设计

　　对于USB 接口芯片，选择了USB100，它是目前开发较方便的USB 接口产品，不必为其编写驱动程序。USB100 模块的数据通信速度最高为8Mb/s，它是完全集成化的USB 通信接口模块，完全满足USB1.1 标准。内部多达384 字节的发送缓冲区和128 字节的接收缓冲区，满足高速通信与单片机接口的需要。单片机可选择带A/D、D/A 转换的类型，也可以选择普通单片机，然后再选择A/D、D/A 模块。

　　第1 种选择高性能的单片机，例如ADμC812 作为系统处理器。ADμC812 在单个芯片内集成了8 路12 位ADC 采集系统、2 路12 位DAC、80C52MCU 内核、8kb 的闪速／ 电可擦除程序存储器、640 字节的闪速／ 电可擦除数据存储器、看门狗定时器、电源监视器。I2C 兼容的SPI 和标准的UART 串行I/O 模块及灵活的电源管理方案等等，真正实现了单片机应用系统的单片机。数据采集系统的组成如图1 所示。

图1 USB 数据采集系统

　　第2 种选用一般单片机作为处理器，例如At90s8515。At90s8515 是基于AVR 增强型RISC 结构的高速低功耗8 位微处理器。

　　它提供8k 可下载闪存、512 字节EEPROM、512 字节SRAM、32 条多功能I/O 线以及可编程UART、带有内部震荡器的可编程看门狗定时器。单片机选好之后，需要再选择A/D、D/A 模块来实现数据采集功能。数据采集系统组成如图2 所示。

图2 USB 数据采集系统板

　　图2 中选择具有8 通道12 位AD7888 A/D 转换器和2 路12 位AD7274 D/A 转换器。 4 软件设计

　　单片机编程用C 语言实现，主程序为main（），程序在初始化各种参数之后，开始不断的循环，查询USB100 和A/D 端口，将各路采样值送入USB 端口；同时检测是否有数据送入单片机，如果有数据，就进行相应的操作，否则继续循环。流程图如图3 所示。

图3 流程图

　　PC 机应用程序编程如下：

　　USB100 模块提供两种PC 机应用程序编程， 即虚拟串口方式和动态连结库方式。

　　1） 虚拟串口方式下，用户在PC 机上安装USB100 模块专用虚拟串口驱动程序之后，USB100 即可作为PC 机上的一个标准设备，可以按照和操作串口完全一样的方法来编程。

　　2） 在动态连结库方式下，用户要在PC 机上安装USB100 模块专用动态连结库，安装之后，USB100 即成为PC 机的一标准外设，编程时调用API 函数发送和接收数据。

　　5 结语

　　介绍的设计方法使数据采集系统的开发更加简单便捷，经过实践，系统最高传输速度达到8Mb/s，可以满足用户实际需要。此种方法具有一定的先进性和实用性，对于开发USB 采集系统有一定的参考价值。