張鵬義

（江蘇省宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇宿遷，223600）

電子測(cè)量設(shè)備USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張鵬義

（江蘇省宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇宿遷，223600）

USB接口是目前數(shù)據(jù)通信中使用較多的接口類型，由于該接口支持設(shè)備熱插拔而且傳輸速度特別快，所以很受歡迎。本文敘述了利用單片機(jī)AT89S52和USB接口芯片PDIUSBD12設(shè)計(jì)一個(gè)電子測(cè)量設(shè)備USB接口電路,可用作PC機(jī)和微處理機(jī)間傳輸數(shù)據(jù)的通路,以使PC機(jī)對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行控制。

單片機(jī)；USB接口；數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

USB接口是一種快速的,雙向的,同步傳輸?shù)?廉價(jià)的,并可以進(jìn)行熱拔插的串行接口。本文主要介紹一種新型的電子測(cè)量設(shè)備USB接口電路,該電路可用作PC機(jī)和微處理機(jī)間傳輸數(shù)據(jù)的通路,以使PC機(jī)對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行控制,制作串行口硬件并編寫(xiě)有關(guān)軟件，使PC機(jī)和微處理機(jī)之間可交換數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)硬件模塊組成

電子測(cè)量設(shè)備USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如下圖所示：該系統(tǒng)主要由USB通信接口、數(shù)字I/O端口、A/D轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)系統(tǒng)組成。整個(gè)系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集單元電路仍然使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，主要通過(guò)判斷數(shù)據(jù)采集需要的精確度、傳輸速度等參數(shù)要求挑選相關(guān)的處理芯片，保證數(shù)據(jù)正確性、及時(shí)性、抗干擾性要求。

圖1 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

原先的USB接口電路設(shè)計(jì)主要采用普通單片機(jī)配上特殊的USB接口管理芯片組成的模式。這種模式下單片機(jī)主要起控制USB芯片的作用，專用的USB接口管理芯片帶有電氣通信接口，并且能夠?qū)⒆陨淼哪M信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯電平，送給單片機(jī)處理，同時(shí)又能將單片機(jī)輸出的邏輯電平轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳遞下去。整個(gè)系統(tǒng)主要有單片機(jī)、USB接口芯片及其他相關(guān)電路組成。

現(xiàn)在市場(chǎng)上除了傳統(tǒng)的USB接口電路外，各大單片機(jī)生產(chǎn)商為了提高整個(gè)數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和速率，不斷研制新型單片機(jī)，該單片機(jī)不但能夠控制系統(tǒng)工作，而且直接具有USB接口管理芯片的功能。使用新型單片機(jī)構(gòu)成的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以在一定程度上簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，而且系統(tǒng)穩(wěn)定性也得到較大提高。本文設(shè)計(jì)的方案采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)和Philips公司的PDIUSBD12接口芯片構(gòu)成系統(tǒng)，設(shè)備可靠性高，成本相對(duì)而言也比較低。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的電路圖如下圖所示，從圖中可以看出，設(shè)備電路在形式上就是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)。其核心元件就是具有管理USB通信特殊功能的單片機(jī)芯片，整個(gè)系統(tǒng)均由單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)控制。在設(shè)備電路中，真正起到USB設(shè)備作用的只有單片機(jī)和USB接口芯片，其他外圍電路通過(guò)單片機(jī)發(fā)出的指令工作。

系統(tǒng)電路工作原理如下：當(dāng)U10芯片接收到采樣電路發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)立即向U1發(fā)出中端請(qǐng)求信號(hào)，U1芯片根據(jù)接受到的信號(hào)進(jìn)行分析，然后通過(guò)自身的程序指令將U10芯片接收到的數(shù)據(jù)從內(nèi)部緩沖區(qū)移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后再發(fā)出清零指令給U10，以便其繼續(xù)采集新的數(shù)據(jù)，從而完成系統(tǒng)的通信與數(shù)據(jù)傳遞。

在本系統(tǒng)中USB接口管理芯片U10通過(guò)在單片機(jī)U1的控制下主要實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)功能：1）模擬數(shù)據(jù)收發(fā)功能，數(shù)據(jù)主要經(jīng)過(guò)USB接口以及相關(guān)電阻組成的電路進(jìn)行傳遞。2）自動(dòng)調(diào)整輸出電壓功能，U10芯片內(nèi)部集成一個(gè)穩(wěn)壓模塊，可以產(chǎn)生一個(gè)3.3V的輸出電壓，此電壓主要用于給模擬收發(fā)電路提供工作電壓，這個(gè)電壓可以通過(guò)外接電路進(jìn)行自我調(diào)整。3）鎖相功能，芯片內(nèi)部同時(shí)集成1個(gè)6-48MHz的倍頻PLL（鎖相環(huán)）,從而減少數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的干擾。

圖2 系統(tǒng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要指系統(tǒng)主控制芯片的的軟件程序編寫(xiě)，整個(gè)軟件程序主要包括三個(gè)部分：首先是設(shè)備初始化設(shè)計(jì)；其次是數(shù)據(jù)收發(fā)主循環(huán)設(shè)計(jì)；最后是中斷服請(qǐng)求與應(yīng)答程序設(shè)計(jì)。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)思路是，首先主機(jī)發(fā)出請(qǐng)求給單片機(jī)，然后單片機(jī)發(fā)送令牌包給USB設(shè)備，USB設(shè)備在接收到指令之后立即給單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，此時(shí)單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行相關(guān)讀寫(xiě)操作。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)流程主要包括：主循環(huán)工作流程、中斷處理流程、控制輸入/輸出處理流程、普通輸入/輸出處理流程、獲取狀態(tài)工作流程、設(shè)置特性工作流程、清除特性工作流程、設(shè)置地址工作流程、獲取描述符工作流程、設(shè)置配置工作流程等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既有對(duì)原始信號(hào)的采集，又有對(duì)數(shù)據(jù)的處理，所以采用了上下位機(jī)、主從式結(jié)構(gòu)。下位機(jī)采用單片機(jī)，通過(guò)其擴(kuò)展系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。上位機(jī)采用便攜式PC機(jī)，來(lái)控制下位機(jī)的動(dòng)作和處理下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)。上下位機(jī)通過(guò)USB總線來(lái)傳送命令和數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)硬件電路在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，采取了同時(shí)分兩路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信的原理，從而在很大程度上提高數(shù)據(jù)傳輸率。

[1]周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)(第一版)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[2]胡建.基于USB總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué),2015.3.

Electronic measurement device USB data collection system design

Zhang Pengyi
(Jiangsu suqian economic and trade high vocational technical school,Suqian Jiangsu,223600)

USB interface is the most common type of interface used in data communication. Since this interface supports hot plug and pull and transmission speed is very fast, it is very popular. This paper describes the use of single-chip microcomputer AT89S52 and USB interface chip PDIUSBD12 USB interface circuit design an electronic measuring equipment, used for data transmission between PC and microprocessor pathway, to give the PC to control a variety of equipment.

single chip computer;USB interface;data transmission