摘 要:綜合USB技術與嵌入式技術的優(yōu)點，完成了數據采集卡硬件和軟件部分的設計，并從理論的角度分析了采樣的速度，并結合到設計中，設計了USB設備驅動程序;從嵌入式linux操作系統(tǒng)下網絡通訊方法，編寫了網絡服務器和客戶端相關程序。

關鍵詞:嵌入式;數據采集卡;Socket

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:16723198(2009)21028901

1 數據采集卡功能設計

CY7C68013屬于EZUSB FX2系列，架構圖如圖1所示:

FX2集所有USB外圍要求的特點于一身，為外圍提供D+、D-兩條USB連接線，SIE(串行接口引擎)對串行數據編、解碼，并進行錯誤校驗、位填充和其他USB傳輸的信號級任務。最終將串行數據變?yōu)椴⑿袛祿cUSB Interface間通訊。SIE操作在全速和高速模式，為了增加USB2.0的帶寬，端點FIFO和從FIFO是一致的，這樣可以節(jié)省內部數據傳輸時間。CPU是增強的8051內核，使用內部RAM來存儲程序和數據。CPU在USB通訊中的角色是雙重的，第一，通過控制端點服務主機請求，實施高速USB協(xié)議。第二，可以使用普通的8051功能。對USB通訊來說，51內核的功能只是簡單的配置接口，監(jiān)控傳輸，本身并不會參與到傳輸中。

2 采集卡硬件電路設計

2.1 AD轉換部分硬件設計

該設計中使用了AD7492作為主采樣器件，這是一款12位高速，低功耗，持續(xù)逼近型ADC，操作電壓2.7V-5.25V，設計中使用了SV單電源供電，采樣頻率高達1MSPS，內部有低噪音、寬帶寬的跟蹤保持放大電路，可以處理的帶寬達到10MHz。

AD7492很容易與微處理器或DSP接口。輸入信號從CONVST的下降沿開始被采樣，轉換也從此點啟動。忙(BUSY)信號線在轉換起始時為高電平，880ns后跳變?yōu)榈碗娖揭员硎巨D換結束。沒有與此過程相關的管線延時。轉換結果是借助標準CS和RD信號從一個高速并行接口存取的。AD7492采用先進的技術來獲得高數據通過率下的低功耗。在5V電壓下，速度為1MSPS時，平均電流僅為1.72ma;它還可對可變電壓/數據通過率進行管理。在5V供電電壓和500kSPS數據通過率下的消耗電流為1.24mA。

這款芯片可以操作在全休眠模式或者部分休眠模式，在轉化結束后，芯片自動進入休眠模式以減小高速時的功耗，休眠模式可以通過pS/FS引腳選擇，其電路圖如圖2所示。

2.2 CPU與EEPROM的接口電路

CY7C68013芯片本身不帶ROM，所以擴展一片64Kbit的I2C串行E2PROM存儲程序代碼。該芯片為低功耗應用而開發(fā)，可以充分利用FX2的I2C接口而不用占用其它I/O接口，電路圖如圖4所示。

2.3 CPU與鍵盤、顯示的接口電路

由于56引腳的68013只有PA，PB，PD三組IO，對于12位的AD，使用了PB，PD的第二功能，配置為FD(Fifo Data)。這樣就只剩下PA口8個引腳可用，不足以完成鍵盤、顯示、測試預留等功能。所以采用了PCF8574 I2C轉I0口的方式進行擴展。這樣也可以留出足夠的IO口用于擴展和測試。

I2C總線是PHILIPS公司推出的芯片間串行數據傳輸總線，兩根線((SDA，SCL)即可實現完善的全雙工同步數據傳送。能夠十分方便地構成多機系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)。I2C器件是把I2C的協(xié)議植入器件的I/0接口，使用時器件直接掛到I2C總線上，這一特點給用戶在設計應用系統(tǒng)帶來了極大的便利。I2C器件無須片選信號，是否選中是由主器件發(fā)出的I2C從地址決定的。而I2C器件的從地址是由I2C總線委員會實行統(tǒng)一發(fā)配。PCF8574A的從地址是0x70a，本設計中用到的顯示模塊是FDC645模塊，是由六位數字顯示的串行LCD。模塊中常用的引腳有WR，CS和DAT，占據了CPU的PA^3，PA^4，PA^5。

3 采集卡固件程序設計

關于USB的中斷部分可以通過固件架構來負責處理。它針對USB事件的用戶程序代碼的聲明提供了多個相對應的副函數鉤子，而固件架構之所以會這樣設計與規(guī)劃，這是由于當Windows出現“發(fā)現新硬件”的窗口精靈時，在等待用戶按下“OK”信息按鈕的這段時間，Windows就會忽略重新設備列舉事件。

固件架構包含了很多的副函數鉤子，這些鉤子就是應用程序之間的橋梁，用于應用程序間互相交換數據等。所有的副函數鉤子可以分為三類，即工作分配器、標準設備請求剖析器、USB中斷服務例程等。

工作分配器主要包括以下幾個函數，void TD_Init(void)在初始化(包括設備重新列舉前和后)時被調用，可在此設置全局變量的初始值。Void TD_Poll(void)在設備操作過程中重復調用，要執(zhí)行的工作要在該函數中完成。

固件的while(1)循環(huán)中調用了該函數。BOOL T'D_Suspend(void)在設備固件進入中止模式前加以調用。void TDee Resume(void)在外部有Resume事件時才會調用，執(zhí)行此函數后，設備進入全功率模式。

設備請求剖析器主要包括取得描述符、設置接口、取得接口、取得配置等等的若干個函數。他們在固件架構解出程序代碼后，如果要實現上述功能，便調用這些剖析器函數。如果在這些函數里面返回“TRUE”，則實現該命令，否則就忽略該請求不做任何事情。以取得設備描述符函數為例:

BOOL DRwe GetDescriptor(void)

{

Return(TRUE);

}

返回TRUE，當設備有該請求時，固件架構將實現該請求。其它與此類似。固件的中斷服務例程中包括了對USB中斷的服務處理。如端點的數據輸入輸出中斷，USB中止中斷，USB設置封包(setup token)中斷等等。

4 結論

本文綜合了USB技術與嵌入式技術的優(yōu)點，完成了數據采集卡硬件和軟件部分的設計，并從理論的角度分析了采樣的速度。對于硬件的設計，因為涉及到高頻信號，抗干擾性的設計尤其重要。建立在良好的硬件的基礎上，軟件的設計相對較為簡單。本文中主要從USB設備的特點和結構，并進一步介紹了Linux下USB設備驅動程序的編寫和使用等內容。不同的USB設備需要不同的驅動程序，這些需要根據設備的功能以及用戶對設備的要求來編寫。由于設備文件系統(tǒng)的使用，對于設備可以像操作文件一樣使用，不用記憶每個驅動中不同的入口函數等內容，利于設備使用方法的統(tǒng)一。

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