基于單片機和USB接口的數據采集系統設計

1 系統硬件設計
1．1 系統硬件組成
整個(gè)系統的硬件結構如圖l所示。AT89C52為主控單片機，負責控制A／D轉換、上傳采集數據、接收并執行主機的命令。CY7C68013為USB接口芯片。A／D轉換芯片采用TI公司生產(chǎn)的TLC549，AD780是一款高精度參考電壓芯片，可為T(mén)LC549提供2．5 V或 者3．0 V的參考電壓。系統+5 V電源由主機的USB 接口提供，CY7C68013所需的電源為+3．3 V，由+5 v 電源接穩壓芯片APlll7提供，圖中沒(méi)有畫(huà)出。

1．2 TLC549
TLC549是以8位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近A／D轉換器為基礎而構造的CMOS A／D轉換器，將其設計成能通過(guò)三態(tài)輸出與微處理器或外圍設備串行接VI。TLC549用輸入／輸出時(shí)鐘(I／O CLOCK)和芯片選擇(CS)輸入作數據控制，轉換結果由DATAOUT引腳輸出。I／o CLOCK端的最高頻率可達1．1 MHz。TLC一549片內系統時(shí)鐘工作在4 MHz(不需要外部時(shí)鐘)。片內系統時(shí)鐘使內部器件的操作獨立于串行輸入／輸出時(shí)序并允許TLC549像許多軟件和硬件所要求的那樣工作。I／O CLOCK和內部系統時(shí)鐘可以實(shí)現高速數據傳送，使得TLc549可實(shí)現40 kHz的采樣頻率。TLC549具有通用控制邏輯及自動(dòng)工作或在微處理器控制下工作的片內采樣／保持電路，差分高阻抗基準電壓輸入端，易于實(shí)現比例轉換的高速轉換器，定標及隔離電路。整個(gè)開(kāi)關(guān)電容逐次逼近轉換器電路的設計允許在小于17μs的時(shí)間內，以最大誤差±0．5為最低有效位的精度實(shí)現轉換。
1．3 CY7(368013及其固件程序
EZ―USB FX2系列芯片CY7C68013是業(yè)界第一個(gè)支持USB2．0，同時(shí)向下兼容USBl．1規范的單片機，為描述方便以下簡(jiǎn)稱(chēng)該芯片為FX2。FX2支持全速傳輸(12 Mb／s)和高速傳輸(480 Mb／s)，該芯片將USB2．O收發(fā)器、串行接口引擎SIE、增強的8051內核、GPIF等集成于一體。FX2內含4 KB的端點(diǎn)緩沖區F1FO，可以被配置為具有不同大小緩沖區的IN或OUT端點(diǎn)(EP2，EP4，EP6，EP8)，具有USB協(xié)議所規定的4種傳輸方式，即控制方式、中斷方式、批量傳輸、和同步傳輸方式。Cypress公司為FX2提供了完善的軟件開(kāi)發(fā)工具包，降低了開(kāi)難度，加快了開(kāi)發(fā)進(jìn)度。
FX2可以工作在3種不同的模式下完成USB數據的傳輸，即：Ports模式、GPIF模式和Slave FIFO模式。Ports模式下其uSB數據的傳輸主要在FX2的8051內核參與下完成，數據傳輸通過(guò)執行指令實(shí)現，因此數據的傳輸率比較低，對大批量數據傳輸一般采用后兩種方式。GPIF方式，稱(chēng)為通用可編程接口方式，在此模式下，FX2的FIFO是由內部的GPIF控制的，FX2利用由軟件編程輸出讀寫(xiě)控制波形讀取FIFO標志，控制FIFO的選通，并且對外部設備提供了用戶(hù)專(zhuān)用接口，可以對許多通用總線(xiàn)接口進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，如ASIC，DSP和存儲器等。文獻利用FX2的GPIF方式構建了LISB數據傳輸通道。Slave FIFO方式是將FX2的FIFO作為外部控制器(如FPGA或單片機)的從屬FIFO，外部控制器可像普通FIFO操作一樣對FX2的FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)，而不考慮該包的大小，傳輸速率可明顯提高，文中FX2在Slave FIFO模式下工作。FX2有3種封裝形式：128引腳、100引腳和56引腳，這里選用FX2的56引腳的封裝形式。
FX2芯片在使用時(shí)必須先下載固件程序，固件程序主要負責完成芯片初始化，對芯片進(jìn)行必要的配置、處理設備請求、進(jìn)行數據傳輸等相應工作。用戶(hù)通過(guò)編寫(xiě)適當的固件程序完成對FX2的設置。Cypress公司提供了一個(gè)固件程序開(kāi)發(fā)框架可以大大簡(jiǎn)化FX2芯片固件程序的開(kāi)發(fā)難度。通過(guò)編寫(xiě)用戶(hù)初始化函數TD_Init()，用戶(hù)可以規定各種端點(diǎn)資源的使用以及配置外圍接口的輸入／輸出等。其主要配置語(yǔ)句如下：