基于USB接口的高增益數據采集系統

　　信號調理電路主要包括模擬信號多路選擇、濾波和信號放大等組成部分，電路如圖3所示。

　　系統電路設計中，只使用了單片機C8051F000本身自帶的一路模擬輸入AIN0；在單片機外圍用多路模擬開(kāi)關(guān)CD4051擴展了8路模擬輸入。當單片機給CD4066的引腳CONT1輸入一個(gè)低電平、給引腳CONT2輸入一個(gè)高電平時(shí)，CD4066的引腳IN1和OUT1之間斷開(kāi)、引腳IN2和OUT2之間短接，運算放大器ICL7650的負端輸入與它的輸出斷開(kāi)，此時(shí)ICL7650對它的輸入信號放大8倍；當單片機給CD4066的引腳CONT1輸入一個(gè)高電平、引腳CONT2輸入一個(gè)低電平時(shí)，CD4066的引腳IN1和OUT1之間短接、引腳IN2和OUT2之間斷開(kāi)，ICL7650的負端輸入與它的輸出直接短接，此時(shí)ICL7650和它的外圍電路一起組成了一個(gè)電壓跟隨器，只是增大A/D轉換器的輸入阻抗，并不對它的輸入信號進(jìn)行增益放大。

　　C8051F000片內集成的增益放大器PGA編程范圍為0.5～16，當ICL7650作為一個(gè)電壓跟隨器時(shí)，系統可編程增益范圍為0.5～16；當ICL7650對輸入信號進(jìn)行8倍放大時(shí)，系統可編程增益范圍為4～128，由此可見(jiàn)，系統可編程增益范圍較寬，滿(mǎn)足大多數情況下增益放大需要。

　　2 軟件設計與實(shí)現

　　系統軟件包括單片機固件程序，USB驅動(dòng)程序及其鏈接庫，及用戶(hù)應用程序。為了降低開(kāi)發(fā)難度及縮短開(kāi)發(fā)周期，系統采用了周立功公司開(kāi)發(fā)的D12 SMART套件中的USB驅動(dòng)程序及其鏈接庫[3]，該鏈接庫為用戶(hù)應用程序提供了API函數，在編寫(xiě)應用程序時(shí)，只需調用API函數與采集系統之間交換數據，而不需要關(guān)心具體的USB通訊協(xié)議。

　　單片機固件設計采用中斷驅動(dòng)方式。CPU在前臺進(jìn)行數據采集, USB傳輸則在后臺進(jìn)行, 而其中斷和主循環(huán)的數據交換則通過(guò)事件標志和數據緩沖區進(jìn)行。這樣既保證了數據采集的實(shí)時(shí)性，又獲得了最佳的傳輸速率。固件結構如圖4 所示。

　　中斷服務(wù)程序主要負責從PDIUSBD12收集數據, 將建立包和OUT數據存入數據緩沖結構體，并設置相應的標志位；而主循環(huán)負責對數據進(jìn)行處理，根據標志位區分是標準請求還是廠(chǎng)商請求，進(jìn)而調用標準請求處理程序和廠(chǎng)商請求處理程序。其中標準請求處理程序主要負責在設備枚舉過(guò)程中主機為識別設備而發(fā)送的請求, 主要包括讀取USB設備描述符、給USB設備分配地址、配置USB設備等功能。只有在計算機與USB設備建立鏈接之后，計算機才能識別出USB設備，與USB設備進(jìn)行通訊。而廠(chǎng)商請求處理中是自行定義的請求處理函數, 用來(lái)處理計算機發(fā)送給采集系統的各個(gè)設定命令，主要包括設定采集系統的量程、讀取通道采樣數據等命令。標準設備請求是在枚舉過(guò)程中由安裝在PC機中的USB驅動(dòng)程序發(fā)送給USB設備的，而廠(chǎng)商請求是由用戶(hù)應用程序通過(guò)調用USB鏈接庫提供的API函數將命令傳遞到功能驅動(dòng)程序后, 通過(guò)相應例程發(fā)送到USB設備的。

　　PDIUSBD12 命令接口是一套訪(fǎng)問(wèn)PDIUSBD12 所有功能的處理函數，主要包括對PDIUSBD12設置地址、設置端點(diǎn)使能、設置模式、讀中斷寄存器、選擇端點(diǎn)、讀端點(diǎn)狀態(tài)、讀取緩沖區、清緩沖區等操作。當固件中的其它程序需要對PDIUSBD12 進(jìn)行操作時(shí), 只須調用其中相應的子程序即可。

　　硬件提取層是固件中的最底層代碼, 直接對PDIUSBD12訪(fǎng)問(wèn)，其執行與具體硬件電路有關(guān)，使用的單片機不同, 或者實(shí)現的設備功能不同時(shí)這部分代碼也有所不同。

　　3 結束語(yǔ)

　　系統采用高速SOC單片機C8051F000和PDIUSBD12實(shí)現了寬量程的數據采集和基于USB接口的數據傳輸，基于該方案的采集系統已經(jīng)在實(shí)驗室調試通過(guò)，能夠準確地進(jìn)行數據采樣和傳輸。本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：利用了C8051F000片內集成的增益放大器PGA，并結合外圍增益放大電路使系統的最大增益放大倍數達到了128倍，從而使系統能完成較寬范圍內的電壓信號采集；系統在PDIUSBD12與單片機之間的接口電路設計中采用了單地址數據總線(xiàn)方案，相對于通常所采用的多路地址/數據總線(xiàn)方式大大減少了單片機I/O引腳的占用。