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基于单片机和USB接口的数据采集系统设计
来源:本站整理  作者:佚名  2009-05-06 12:08:18



 在工业生产和科学技术研究中,常利用PC或工控机对各种数据进行采集,以获得所需要的控制信息和实验数据。传统的数据采集系统多以ISA,EISA或PCI插卡的形式完成数据传输,这种方式存在安装麻烦,受计算机插槽数量、地址、中断资源限制,可扩展性差等缺点。由于通用串行总线(Universal Serial Bus.USB)具有自动被系统识别.自动安装驱动程序、自行进行系统配置,以及支持不同速率的同步和异步传输方式,支持热插拔和即插即用(Plug and Play,PNP)等优点,已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。目前实现USB数据传送多采用专用的USB接口芯片,文献采用的PDIUSBDl2可支持USBl.1协议,文献E37采用的接口芯片为USBl00也仅支持USBl.1协议,文献采用CP2102符合USB2.0协议,其通用的驱动程序可将设备作为虚拟的COM端口设备进行操作,文献采用Philips公司ISPl581芯片作为USB2.0的接VI芯片’。这里采用Cypress公司的CY7C68013作为USB接口芯片,设计实现了基于单片机和USB2.0的数据采集系统。该系统可实现单通道模拟信号的采集,主机应用程序负责启动和停止采样,采样间隔时间由主机应用程序设置调整,采样数据传给主机应用程序显示并保存。

1 系统硬件设计
1.1 系统硬件组成

    整个系统的硬件结构如图l所示。AT89C52为主控单片机,负责控制A/D转换、上传采集数据、接收并执行主机的命令。CY7C68013为USB接口芯片。A/D转换芯片采用TI公司生产的TLC549,AD780是一款高精度参考电压芯片,可为TLC549提供2.5 V或 者3.0 V的参考电压。系统+5 V电源由主机的USB 接口提供,CY7C68013所需的电源为+3.3 V,由+5 v 电源接稳压芯片APlll7提供,图中没有画出。

1.2 TLC549
    TLC549是以8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOS A/D转换器,将其设计成能通过三态输出与微处理器或外围设备串行接VI。TLC549用输入/输出时钟(I/O CLOCK)和芯片选择(CS)输入作数据控制,转换结果由DATAOUT引脚输出。I/o CLOCK端的最高频率可达1.1 MHz。TLC一549片内系统时钟工作在4 MHz(不需要外部时钟)。片内系统时钟使内部器件的操作独立于串行输入/输出时序并允许TLC549像许多软件和硬件所要求的那样工作。I/O CLOCK和内部系统时钟可以实现高速数据传送,使得TLc549可实现40 kHz的采样频率。TLC549具有通用控制逻辑及自动工作或在微处理器控制下工作的片内采样/保持电路,差分高阻抗基准电压输入端,易于实现比例转换的高速转换器,定标及隔离电路。整个开关电容逐次逼近转换器电路的设计允许在小于17μs的时间内,以最大误差±0.5为最低有效位的精度实现转换。
1.3 CY7(368013及其固件程序
    EZ—USB FX2系列芯片CY7C68013是业界第一个支持USB2.0,同时向下兼容USBl.1规范的单片机,为描述方便以下简称该芯片为FX2。FX2支持全速传输(12 Mb/s)和高速传输(480 Mb/s),该芯片将USB2.O收发器、串行接口引擎SIE、增强的8051内核、GPIF等集成于一体。FX2内含4 KB的端点缓冲区F1FO,可以被配置为具有不同大小缓冲区的IN或OUT端点(EP2,EP4,EP6,EP8),具有USB协议所规定的4种传输方式,即控制方式、中断方式、批量传输、和同步传输方式。Cypress公司为FX2提供了完善的软件开发工具包,降低了开难度,加快了开发进度。
    FX2可以工作在3种不同的模式下完成USB数据的传输,即:Ports模式、GPIF模式和Slave FIFO模式。Ports模式下其uSB数据的传输主要在FX2的8051内核参与下完成,数据传输通过执行指令实现,因此数据的传输率比较低,对大批量数据传输一般采用后两种方式。GPIF方式,称为通用可编程接口方式,在此模式下,FX2的FIFO是由内部的GPIF控制的,FX2利用由软件编程输出读写控制波形读取FIFO标志,控制FIFO的选通,并且对外部设备提供了用户专用接口,可以对许多通用总线接口进行访问,如ASIC,DSP和存储器等。文献利用FX2的GPIF方式构建了LISB数据传输通道。Slave FIFO方式是将FX2的FIFO作为外部控制器(如FPGA或单片机)的从属FIFO,外部控制器可像普通FIFO操作一样对FX2的FIFO进行读写,而不考虑该包的大小,传输速率可明显提高,文中FX2在Slave FIFO模式下工作。FX2有3种封装形式:128引脚、100引脚和56引脚,这里选用FX2的56引脚的封装形式。
    FX2芯片在使用时必须先下载固件程序,固件程序主要负责完成芯片初始化,对芯片进行必要的配置、处理设备请求、进行数据传输等相应工作。用户通过编写适当的固件程序完成对FX2的设置。Cypress公司提供了一个固件程序开发框架可以大大简化FX2芯片固件程序的开发难度。通过编写用户初始化函数TD_Init(),用户可以规定各种端点资源的使用以及配置外围接口的输入/输出等。其主要配置语句如下:

   

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