基于AT89C52和USB接口的数据采集系统设计

在工业生产和科学技术研究中，常利用PC或工控机对各种数据进行采集，以获得所需要的控制信息和实验数据。传统的数据采集系统多以ISA，EISA或PCI插卡的形式完成数据传输，这种方式存在安装麻烦，受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差等缺点。由于通用串行总线(Universal Serial Bus．USB)具有自动被系统识别．自动安装驱动程序、自行进行系统配置，以及支持不同速率的同步和异步传输方式，支持热插拔和即插即用(Plug and Play，PNP)等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。目前实现USB数据传送多采用专用的USB接口芯片，文献采用的PDIUSBDl2可支持USBl．1协议，文献E37采用的接口芯片为USBl00也仅支持USBl．1协议，文献采用CP2102符合USB2．0协议，其通用的驱动程序可将设备作为虚拟的COM端口设备进行操作，文献采用Philips公司ISPl581芯片作为USB2．0的接VI芯片’。这里采用Cypress公司的CY7C68013作为USB接口芯片，设计实现了基于单片机和USB2．0的数据采集系统。该系统可实现单通道模拟信号的采集，主机应用程序负责启动和停止采样，采样间隔时间由主机应用程序设置调整，采样数据传给主机应用程序显示并保存。

1 系统硬件设计
1．1 系统硬件组成
整个系统的硬件结构如图l所示。AT89C52为主控单片机，负责控制A／D转换、上传采集数据、接收并执行主机的命令。CY7C68013为USB接口芯片。A／D转换芯片采用TI公司生产的TLC549，AD780是一款高精度参考电压芯片，可为TLC549提供2．5 V或 者3．0 V的参考电压。系统+5 V电源由主机的USB 接口提供，CY7C68013所需的电源为+3．3 V，由+5 v 电源接稳压芯片APlll7提供，图中没有画出。

1．2 TLC549
TLC549是以8位开关电容逐次逼近A／D转换器为基础而构造的CMOS A／D转换器，将其设计成能通过三态输出与微处理器或外围设备串行接VI。TLC549用输入／输出时钟(I／O CLOCK)和芯片选择(CS)输入作数据控制，转换结果由DATAOUT引脚输出。I／o CLOCK端的最高频率可达1．1 MHz。TLC一549片内系统时钟工作在4 MHz(不需要外部时钟)。片内系统时钟使内部器件的操作独立于串行输入／输出时序并允许TLC549像许多软件和硬件所要求的那样工作。I／O CLOCK和内部系统时钟可以实现高速数据传送，使得TLc549可实现40 kHz的采样频率。TLC549具有通用控制逻辑及自动工作或在微处理器控制下工作的片内采样／保持电路，差分高阻抗基准电压输入端，易于实现比例转换的高速转换器，定标及隔离电路。整个开关电容逐次逼近转换器电路的设计允许在小于17μs的时间内，以最大误差±0．5为最低有效位的精度实现转换。
1．3 CY7(368013及其固件程序
EZ—USB FX2系列芯片CY7C68013是业界第一个支持USB2．0，同时向下兼容USBl．1规范的单片机，为描述方便以下简称该芯片为FX2。FX2支持全速传输(12 Mb／s)和高速传输(480 Mb／s)，该芯片将USB2．O收发器、串行接口引擎SIE、增强的8051内核、GPIF等集成于一体。FX2内含4 KB的端点缓冲区F1FO，可以被配置为具有不同大小缓冲区的IN或OUT端点(EP2，EP4，EP6，EP8)，具有USB协议所规定的4种传输方式，即控制方式、中断方式、批量传输、和同步传输方式。Cypress公司为FX2提供了完善的软件开发工具包，降低了开难度，加快了开发进度。
FX2可以工作在3种不同的模式下完成USB数据的传输，即：Ports模式、GPIF模式和Slave FIFO模式。Ports模式下其uSB数据的传输主要在FX2的8051内核参与下完成，数据传输通过执行指令实现，因此数据的传输率比较低，对大批量数据传输一般采用后两种方式。GPIF方式，称为通用可编程接口方式，在此模式下，FX2的FIFO是由内部的GPIF控制的，FX2利用由软件编程输出读写控制波形读取FIFO标志，控制FIFO的选通，并且对外部设备提供了用户专用接口，可以对许多通用总线接口进行访问，如ASIC，DSP和存储器等。文献利用FX2的GPIF方式构建了LISB数据传输通道。Slave FIFO方式是将FX2的FIFO作为外部控制器(如FPGA或单片机)的从属FIFO，外部控制器可像普通FIFO操作一样对FX2的FIFO进行读写，而不考虑该包的大小，传输速率可明显提高，文中FX2在Slave FIFO模式下工作。FX2有3种封装形式：128引脚、100引脚和56引脚，这里选用FX2的56引脚的封装形式。
FX2芯片在使用时必须先下载固件程序，固件程序主要负责完成芯片初始化，对芯片进行必要的配置、处理设备请求、进行数据传输等相应工作。用户通过编写适当的固件程序完成对FX2的设置。Cypress公司提供了一个固件程序开发框架可以大大简化FX2芯片固件程序的开发难度。通过编写用户初始化函数TD_Init()，用户可以规定各种端点资源的使用以及配置外围接口的输入／输出等。其主要配置语句如下：