基于USB總線(xiàn)和Aduc831單片機的數據采集系統的設計

由于信息網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展，經(jīng)常需要將各種設備與主機相連，傳統的外設與主機的通訊接口一般是基于PCI總線(xiàn)、ISA總線(xiàn)或者是RS-232C串行總線(xiàn)。 PCI總線(xiàn)雖具有高的傳輸速度(132Mbps)，支持即插即用功能，但其缺點(diǎn)是插拔麻煩，且擴展槽有限(一般為5～6個(gè))。ISA總線(xiàn)顯然存在著(zhù)同樣的問(wèn)題。RS-232C串行總線(xiàn)雖然連接簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)是傳輸速度慢(56kbps). 而通用串行總線(xiàn)(Universal Serial Bus,簡(jiǎn)稱(chēng)USB)的出現能很好地解決以上這些沖突。我們利用新型高性能單片機Aduc831設計了基于USB總線(xiàn)的數據采集系統。

1. USB簡(jiǎn)介

1.1 USB特點(diǎn)

USB的英文全稱(chēng)為Universal Serial Bus,它是一種快速、雙向、同步傳輸的廉價(jià)的并可以進(jìn)行熱拔插的串行接口。它的特點(diǎn)主要有:

1)速度快。USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps，另外為了適應一些不需要很大吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設備，如鼠標等，USB還提供低速方式，速率為1.5Mb/s。

2) 設備安裝和配置容易。安裝USB設備不必再打開(kāi)機箱，加減已安裝過(guò)的設備完全不用關(guān)閉計算機。所有USB設備均支持熱插拔，且易于擴展。

3) 使用靈活。USB共有４種傳輸模式：控制傳輸(control)、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應不同設備的需要。

1.2 USB總線(xiàn)協(xié)議

USB總線(xiàn)屬一種輪訊方式的總線(xiàn)，主機控制端口初始化所有的數據傳輸。

每一總線(xiàn)執行動(dòng)作最多傳送三個(gè)數據包。按照傳輸前制定好的原則，在每次傳送開(kāi)始時(shí)，主機控制器發(fā)送一個(gè)描述傳輸運作的種類(lèi)、方向，USB設備地址和終端號的USB數據包，這個(gè)數據包通常稱(chēng)為標志包(token packet)。USB設備從解碼后的數據包的適當位置取出屬于自己的數據。數據傳輸方向不是從主機到設備就是從設備到主機。在傳輸開(kāi)始時(shí)，由標志包來(lái)標志數據的傳輸方向，然后發(fā)送端開(kāi)始發(fā)送包含信息的數據包或表明沒(méi)有數據傳送。接收端也要相應發(fā)送一個(gè)握手的數據包表明是否傳送成功。發(fā)送端和接收端之間的 USB數據傳輸，在主機和設備的端口之間，可視為一個(gè)通道。存在兩種類(lèi)型的通道：流和消息。流的數據不像消息的數據，它沒(méi)有USB所定義的結構，而且通道與數據帶寬、傳送服務(wù)類(lèi)型，端口特性（如方向和緩沖區大?。┯嘘P(guān)。多數通道在USB設備設置完成后即存在。USB中有一個(gè)特殊的通道——缺省控制通道，它屬于消息通道，當設備一啟動(dòng)即存在，從而為設備的設置、查詢(xún)狀況和輸入控制信息提供一個(gè)入口。

2. 硬件設計

2.1 Aduc831簡(jiǎn)介

ADuC831 是一個(gè)完全綜合的247 k采樣保持數據采集系統，在同一片中 結合了高性能的自校準12位 ADC 多路通道，雙12位 DAC通道和可編程8位 MCU。微處理器核心是 8052,提供片內 62 kB 非易失性閃速/電擦除程序存儲器。還提供片內 4 kB 非易失性閃速/電擦除數據存儲器、256 b RAM 和2 kB 擴展 RAM。

ADuC831 還提供額外的電源監視器, 和一個(gè)高精度參考源。片內數字外圍設備包括2個(gè)16位Σ-Δ DAC, 雙輸出16位 PWM,看門(mén)狗定時(shí)器, 定時(shí)間隔計數器,3個(gè)定時(shí)器/計數器, 定時(shí)器 3用于波特率產(chǎn)生核 串行接口 I/O (I2C, SPI 和UART) 。

并且片內提供串行下載和調試模式 (通過(guò) UART), 并且通過(guò)EA引腳提供單引腳競爭模式。ADuC831 支持 QuickStart™ 和 QuickStart Plus 升級系統和低成本的軟件和硬件工具。

2.2 USBN9603簡(jiǎn)介

USBN9603是一個(gè)集成的USB端點(diǎn)控制器，具有增強的DMA功能。USBN9603集成了一個(gè)帶有3．3V的調節器的收發(fā)器，1個(gè)SIE(串行接口引擎)，1個(gè)8 b并行接口，1個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和1個(gè)MICROWIRE／PLUS接口。USBN9603可以進(jìn)行7個(gè)端點(diǎn)的數據傳輸，除了1個(gè)端點(diǎn)必須為控制傳輸端點(diǎn)以外，其他的6個(gè)端點(diǎn)可以被配置成中斷傳輸端點(diǎn)、批量傳輸端點(diǎn)或者等時(shí)傳輸端點(diǎn)；每一個(gè)端點(diǎn)都有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的FIFO，控制端點(diǎn)的FIFO長(cháng)度為8B，其他的為64B。8 b并行接口可以支持多路復用或者非多路復用2種與CPU的接口方式。USBN9603的突出特點(diǎn)為：低EMI(電磁干擾)，低等待電流，24M晶振，增強的DMA功能；可使用5V或3．3V電源；總線(xiàn)操作具有異步喚醒的全速靜態(tài)HALT模式；改進(jìn)的3．3V電壓輸入的電壓調節器，所有非雙向端點(diǎn)都有64B 的FIFO；外部控制器接口簡(jiǎn)單，編程方便。

2.3 原理圖設計

USB數據采集系統硬件模塊主要由Aduc831芯片、USB接口芯片USBN9603組成。硬件結構簡(jiǎn)單,硬件總體結構框圖如圖1所示.

模擬輸入信號A/D轉換器,轉換結果存儲在FIFO存儲器中；一旦FIFO存滿(mǎn)，SIE立刻對數據進(jìn)行處理，然后Aduc831系統將數據從FIFO存儲器中讀出,由收發(fā)器通過(guò)數據線(xiàn)（D+、D-）送至主機。