基于嵌入式USB接口的數據采集系統的設計

1)測試信號為正弦波，峰峰值約為12 V，頻率為100Hz。
2)系統以1000Hz的采集頻率連續對8個(gè)通道進(jìn)行采集。
3)單片機晶振頻率為12MHz。
4)采集系統的數據緩沖區設置為128字節。
5)采集數據記錄在SD卡中。
3．2 測試結果分析
由3．1的正弦波采集測試結果圖可以得出如下兩點(diǎn)結論：
1)采集的正弦波的峰峰值約為12 V，一個(gè)周期有10個(gè)數據點(diǎn)，根據采集頻率1000Hz可知采集到的正弦波的頻率為100Hz。
2)在30 ms的時(shí)候，正弦波發(fā)生畸變，可見(jiàn)采集數據在USB傳輸過(guò)程中發(fā)生丟失。
第一點(diǎn)結論說(shuō)明了本采集系統能準確地進(jìn)行數據采集，而對于第二點(diǎn)結論所表現出的不完整性分析如下。
1)設V1是有效數據的傳輸速度，V2是協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)的傳輸速度，N為采集數據的通道數目，M為每通道采集的字節數，H為采集頻率，K為緩沖區大小，U為傳輸的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)字節數。USB數據幀的組成包括有效數據和協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)兩個(gè)部分，其中傳輸協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)包括同步字段、包標識符、地址信息、端點(diǎn)信息和CRC校驗，所以數據采集系統要求的USB傳輸速度可根據公式(1)計算得到。本文設計的數據采集系統共有8個(gè)通道，每通道有2個(gè)字節的數據，采集頻率為1 000 Hz，根據公式(2)可得有效數據的傳輸速度約為16 kB／s。一個(gè)完整的數據幀的傳輸需要11個(gè)字節的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，本文設計的數據傳輸過(guò)程分為4個(gè)步驟：發(fā)送傳輸請求，發(fā)送接收控制命令，接收請求應答，開(kāi)始接收數據，每個(gè)步驟均需傳輸一個(gè)完整的USB數據幀，因此進(jìn)行一次傳輸的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)為44個(gè)字節，根據公式(3)可計算出協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)的傳輸速度。以緩沖區的大小為橫坐標，數據采集系統要求的USB傳輸速度為縱坐標繪出圖4所示的關(guān)系圖，分析該圖可得：緩沖區越大，所要求的USB傳輸速度越少。測試中較少的128字節緩沖區使得在一次傳輸中有效數據過(guò)少，約5．5 kB／s的額外開(kāi)銷(xiāo)傳輸速度約占總速度的25％，過(guò)高的額外傳輸開(kāi)銷(xiāo)導致數據來(lái)不及傳輸，從而發(fā)生數據丟失的情況。

2)另外，由于應用程序要在SD卡這類(lèi)低速設備上記錄數據，所以記錄數據的時(shí)候來(lái)不及獲取USB設備中的數據也會(huì )導致實(shí)際的傳輸速度變慢，導致新采集的數據溢出緩沖區并覆蓋來(lái)不及傳輸的舊數據，從而造成數據丟失。
因此有必要采取一定的方法來(lái)改善數據采集系統，以保證數據采集的完整性。下面將提出3個(gè)解決方法。
3．3 系統改善措施
1)增大晶振頻率到24MHz，加快單片機的處理速度。
2)在硬件上增加靜態(tài)RAM作為數據存儲的緩沖區，緩沖區的存在一方面可以保證新采集的數據不會(huì )覆蓋沒(méi)來(lái)得及傳輸的舊數據，另一方面可以讓USB設備在一次USB數據幀的傳輸中所含有的有效數據更多，從而減少在傳輸過(guò)程中的校驗、識別和握手等USB協(xié)議的額外開(kāi)銷(xiāo)，加快傳輸速度。
3)在應用程序控制USB設備時(shí)將新建2條線(xiàn)程，一條進(jìn)程用于向USB設備進(jìn)行讀寫(xiě)操作來(lái)進(jìn)行數據采集，另一條進(jìn)程用于向嵌入式系統的SD卡這類(lèi)低速設備進(jìn)行讀寫(xiě)操作來(lái)記錄數據，利用操作系統分時(shí)復用的特性減少數據記錄過(guò)程對數據傳輸造成的延誤，從而加快USB設備的傳輸速度。

4 結束語(yǔ)
本文從硬件結構、固件程序和驅動(dòng)程序3個(gè)方面對基于嵌入式USB接口的數據采集系統進(jìn)行了設計。最后還通過(guò)實(shí)際采集正弦波信號對系統進(jìn)行了測試，并提出了3個(gè)方法有效地提高了數據采集系統的傳輸速度。本系統能在擁有USB接口的嵌入式設備上方便地進(jìn)行連接和安裝，是數據采集應用的一個(gè)重要部分。