AT91SAM7X的多路USB2．0數據采集系統

1 AT91SAM7X數據采集主控芯片介紹
AT9lSAM7X是基于32位ARM7TDMI內核的微控制器。AT91SAM7X系列微控制器具備嵌入式10／100M以太網(wǎng)(Ethernet)MAC、CAN、全速(12 Mbps)USB 2．O。針對廣泛的網(wǎng)絡(luò )化實(shí)時(shí)嵌入式系統而設計的AT9lSAM7X256還具備1個(gè)10位模／數轉換器(ADC)、2個(gè)串行外圍接口(SPI)、同步串行接口(SSC)、雙線(xiàn)接口(TWI)、3個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)、1個(gè)8級優(yōu)先中斷控制器(priority interrupt controller)和眾多的監管功能。這個(gè)新型的50MIPS MCU擁有64 KB的靜態(tài)存儲器和256 KB的25 ns閃存，這種閃存支持實(shí)時(shí)控制系統所需的可確定性處理能力。

2 數據采集系統硬件設計
2．1 數據采集系統硬件設計結構圖
本文設計的基于A(yíng)T91SAM7X的多路USB2．O數據采集系統主要由6部分組成，如圖1所示，分別是輸入信號接口模塊、多路信號放大模塊、信號調理模塊、數據采集處理模塊、USB2．O接口模塊和上位機模塊。其中，輸入信號接口模塊、多路信號放大模塊、信號調理模塊主要完成外部標準的一5～+5 V信號的隔離接人與變換。因為AT91SAM7X的ADC允許接入的轉換電壓范圍是O～3 V，所以上述3個(gè)過(guò)程的信號變換是必要的。本系統主要采用的變換手段為信號的差分放大，主要部分數據采集處理模塊和USB2．O接口模塊分別由AT91SAM7X內置的ADC模塊和USB2．O模塊來(lái)完成。由于大部分的工作是在同一個(gè)芯片內部完成，只需通過(guò)簡(jiǎn)單的寄存器設置和數據交換，即可完成數據的采集和傳輸過(guò)程，在很大程度上優(yōu)化了系統的設計。

2．2 AT91SAM7X的ADC模塊介紹
AT91SAM7X的片內ADC是基于連續寄存器(SAR)模型，片內通過(guò)一個(gè)8到1的模擬復用器來(lái)實(shí)現8通道的模／數轉換。ADC輸入范圍是O V～ADVREF。ADC支持8位和10位兩種分辨率，可以通過(guò)軟件觸發(fā)、外部ADTRG觸發(fā)引腳、內部觸發(fā)定時(shí)器來(lái)啟動(dòng)ADC?？梢酝ㄟ^(guò)配置ADC時(shí)鐘、啟動(dòng)時(shí)間、采樣保持時(shí)間來(lái)提高ADC的精度。ADC不受電源管理器管理，有一個(gè)中斷源，如果用到ADC中斷信號，則需要配置中斷控制器(AIC)。
2．3 AT91SAM7X的USB2．O模塊介紹
AT91SAM7X具有內置的USB設備控制器，USB設備端口符合USB2．O全速器件規范，具有12 Mbps的通信速率。每個(gè)端點(diǎn)可以配置為幾種USB傳輸類(lèi)型中的一種。USB設備自動(dòng)檢測掛起與恢復，通過(guò)中斷來(lái)停止處理器。同時(shí)，為了配合USB設備的使用并發(fā)揮其最大性能，片內集成了328字節的雙口RAM。此雙口RAM的一個(gè)DPR段由處理器讀／寫(xiě)，另一個(gè)DPR段由USB2．O外設讀／寫(xiě)，從而有效地保證了數據傳輸的最大帶寬。

3 AT91SAM7X的配置與模塊編程
3．1 ADC模塊的配置與模塊編程
ADC模塊功能框圖如圖2所示。ADC模塊是基于逐次逼近寄存器(SAR)的10位模／數轉換器，集成了一個(gè)8到1的模擬多路復用器，可實(shí)現8路模擬信號的模／數轉換。轉換由O V到ADVREF。同時(shí)，ADC支持8位或10位分辨率模式，并且轉換結果進(jìn)入一個(gè)所有通道可用的通用寄存器(即通道專(zhuān)用寄存器)中?？膳渲脼檐浖|發(fā)、外部觸發(fā)ADTRG引腳上升沿或內部觸發(fā)定時(shí)計數器輸出。ADC還集成休眠模式與轉換序列發(fā)生器，并與PDC通道連接。這些特性可降低功耗，減少處理器干涉。最后，用戶(hù)可配置ADC時(shí)間，如啟動(dòng)時(shí)間以及采樣與保持時(shí)間。
系統設計中采用多點(diǎn)方式進(jìn)行A／D轉換，ADVREF接3．O V的基準電壓。方便起見(jiàn)，以單點(diǎn)轉換為例，說(shuō)明ADC模塊的配置與模塊編程。當然在A(yíng)／D轉換之前，系統時(shí)鐘和整體的配置是必需的，此處只介紹ADC模塊相關(guān)的配置與模塊編程。先將與模／數轉換相關(guān)的所有寄存器清零，以保證所有寄存器都有確定值。具體配置過(guò)程和IAR程序代碼如下：

3．2 USB2．0模塊的配置與固件編程
USB2．0接口模塊如圖3所示。該模塊需要2個(gè)時(shí)鐘，即USB2．O器件端口時(shí)鐘和主時(shí)鐘。模塊通過(guò)APB總線(xiàn)接口訪(fǎng)問(wèn)USB2．0器件端口．通過(guò)對APB寄存器的8位值進(jìn)行讀／寫(xiě)以實(shí)現對存儲數據的雙口RAM的讀／寫(xiě)。外部恢復信號可選，允許在系統模式下喚醒USB2．O器件端口外設，然后主機將通知請求恢復的器件。USB2．O接口進(jìn)行枚舉時(shí)，該特性必須由主機處理。為保留檢查VBUS的I／O線(xiàn)，必須先對PIO的控制器編程，將該I／O配置為輸入PIO模式。USB2．O器件中有一條中斷線(xiàn)與高級中斷控制器AIC相連，因此，處理USB2．0器件中斷時(shí)，必須在配置USB2．0器件端口前對高級中斷控制器AIC編程。
本系統中使用USB2．0接口與上位機進(jìn)行通信。為便于說(shuō)明，此處以向上位機端通過(guò)USB2．0接口傳送O～9的數字，并循環(huán)10次為例，說(shuō)明USB2．0模塊的配置與同件編程。系統初始化完成后，此固件程序就通過(guò)USB2．0接口發(fā)送O～9的數字，循環(huán)10次后結束。具體的配置過(guò)程和IAR程序代碼如下:

注意：在USB2．0通信接121調試過(guò)程中，一定要將USB2．0固件程序下載到AT91SAM7X的F1ash中。這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)ARM的地址重映射來(lái)完成，然后重新給USB2．0接口上電，因為只有在設備插入時(shí)上位機才檢測設備，并提示添加相應的驅動(dòng)程序。如果開(kāi)發(fā)人員調試的過(guò)程中只是將程序加載到RAM中，那么由于數據掉電不會(huì )保存，固件程序在下一次插入設備時(shí)就不會(huì )存在，無(wú)論在上位機添加何種驅動(dòng)程序，上位機都不會(huì )接收到數據，這樣就會(huì )導致整個(gè)調試過(guò)程的失敗。
3．3 USB2．0的Windows應用程序設計
上位機部分通過(guò)Visual C++6．0程序實(shí)現與嵌入式硬件部分的USB通信。測試過(guò)程中，先將USB2．0固件程序下載到AT91SAM7X中，插上USB數據線(xiàn)，根據提示添加相應的驅動(dòng)程序后直接運行設計好的Visual C++6．0程序。測試結果如圖4所示。

上位機程序運行過(guò)程中首先檢查設備的連接情況，確認成功連接后開(kāi)始接收USB2．0設備發(fā)送過(guò)來(lái)的數據。此處為循環(huán)10次的0～9的數字，如圖4所示，數據已經(jīng)成功傳輸到了上位機端。

結 語(yǔ)
本文設計了基于A(yíng)T91SAMTX的多路USB2．0數據采集系統，以AT91SAM7X芯片為核心實(shí)現了數據信號的調理變換、采集和向上位機的傳輸。由于A(yíng)T91SAM7X內置了ADC模塊和USB2．0設備接口，使得系統設計十分方便；同時(shí)由于無(wú)需使用大量的外擴芯片，使得硬件成本大幅降低，產(chǎn)品體積更小巧，穩定性方面也比外擴芯片的方式有較大幅度的提升。