USB接口技术在外置式采样系统中的应用

一、前言：

中高速、高精度连续采样系统由于采集的数据量大，通常将控制和数据通道部分做成板卡的形式，占用PC的一个ISA或PCI总线扩展槽，通过ISA或PCI总线的高速数据传输率（往往通过上述总线的DMA模式）实现PC与采样系统的大容量数据交换。但是，这种内置式形式很容易受到PC机箱内高频干扰的影响，降低系统的采样精度和稳定性。如果能够将整个系统做成外置式形式，不仅能够提高系统的采样精度和稳定性，还能增强系统的灵活性，同时还有利于系统的维护。

普通的外置式采样系统一般通过RS-232C与PC连接，由于PC机的限制，RS-232C最高数据传输率不超过115KBPS（基于串口芯片16550，如基于8250，则最高仅有9600BPS），同时传输的距离也不会超过15米。对于中高速、高精度连续采样系统，其每秒的数据传输量最小为（100kHz采样率，10位采样精度）：100K×10=1000K，若RS-232C以115KBPS与采样系统交换数据，则需约1000K/115K=8.7s的传输时间，采样系统与PC接口速度的瓶颈作用会导致一部分数据的丢失，失去连续采样的意义。因此，提高PC与外置式采样系统数据通道的流量是实现外置式中高速、高精度连续采样系统的关键。随着计算机软硬技术的不断发展，新一代通用串行总线接口的优良特性给我们提供了极佳的解决方案。

二、USB接口的特点：

USB技术由三部分组成：具有USB接口的PC系统、能够支持USB的系统软件和使用USB接口的设备。现在，586以上的PC机大多数都具有USB接口，微软推出的WIN98操作系统也全面支持USB设备。USB设备受到人们的瞩目，是由于USB不仅改变了以往串行总线低速的局面，同时还引入许多串行总线技术不具有的新特性。USB 1.1规范支持低速1.5Mb/s和高速24Mb/s的数据传输率。

USB总线控制协议要求在数据发送时含有3个描叙数据类型、发送方向和终止标志、USB设备地址的数据包，因此，USB可通过菊花链的形式同时挂接多个USB设备。USB设备在发送数据时支持数据侦错和纠错功能，增强了数据传输的可靠性。USB还具有一些新的特性，如：共享性（一个物理设备可以使用许多不同的pipe）、实时性（可以实现和一个设备之间有效的实时通信）、动态性（可以实现接口间的动态切换）、联合性（不同的而又有相近的特性的接口可以联合起来）、多能性（各个不同的接口可以使用不同的供电模式）、自动性（缺省的pipe的使用使基系统的建立和配置变得自动并且快速）。

三、外置式采样系统的硬软件设计：

采用INTEL公司的8X930AX系列的USB控制器作为采样系统的控制芯片，该芯片是以广泛流行的8XC251SX系列的微控制器为MCU核心，因此，它使用与MCS51兼容的MCS251的指令系统。该芯片工作在12MHz的工作频率，具有11个中断源，其中有三个分配给USB设备。该芯片集成的USB接口符合USB 1.0标准，支持高速（12MBPS）和低速（1.5MBPS）的数据传输率，并可工作在同步和异步这两种数据传输方式下。8X930AX除了增加了USB接口外，同时也在8XC251SX基础上作了许多大的改进，如1K的片上数据RAM，支持高达256K外部程序/数据存储空间，片上ROM可最高达到8K容量，为采样系统的开发提供了许多便利之处。对熟悉MCS-51单片机系统的开发人员可非常迅速掌握该芯片的程序设计工作。

传感器部分可根据所采量的特点选择设计，对于需长距离传输的模拟量最好采用电流传输的方式，也就是将采样处的各种环境量（如温度，湿度，压力等）通过变换为电流的形式以便于长距离的传输，同时要注意传输线的屏蔽，以防传输过程的外界干扰。

本系统选用的是TI的TLV2548构成的A/D转换板，它具有最高200KSPS的采样率，12位的采样精度，具有8个输入通道CPU1、CPU2是以INTEL的8X830AX为核心的采样控制板，8X930AX与普通的MCS51系列的单片机相比，只是增加了USB接口。所以，控制板的设计可参考普通MCS51单片机的设计。但由于单片机自身的局限性，它不能实现多条指令的并发机制，所以，当单片机系统完成采样过程并存储在有限容量的外部数据RAM中，一旦外部数据RAM满，则单片机必须停止采样的取数据过程，进行数据的转发，即转向将存在外部数据RAM的数据传输给PC机保存并处理。因此，如果仅靠一个单片机系统是难以实现连续不间断的数据采样，这可以通过两个单片机系统的协同处理来解决这个矛盾，如图1所示。C1，C2是两个单片机系统的协同工作控制线信号，当CPU1必须转向数据的转发时，可通过C1发出一个唤醒信号通知CPU2进入数据采样过程，利用高速的USB接口的数据传输，我们可以通过计算，在100KSPS的采样率下，10位