基于USB接口的数据采集系统设计

基于USB接口的数据采集系统设计

摘要：以自行开发的基于USB接口的数据采集系统为例，介绍了USB接口的硬件和软件开发过程。

１ ＵＳＢ协议和芯片选择

理解好ＵＳＢ协议是ＵＳＢ系统开发的第一步。ＵＳＢ协议版本包括１.０、１.1和２.０，ＵＳＢ ＯＴＧ是对２.０版本协议的补充。虽然ＵＳＢ协议内容繁多且复杂，然而，对ＵＳＢ开发影响较大的却只是少数部分，以下对协议版本１.１[１]中这些部分进行介绍。

１.１ ＵＳＢ协议

一般，每个ＵＳＢ设备由一个或多个配置（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）控制其行为。使用多配置原因是对操作系统的支持；一个配置由接口（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）组成；接口则是由管道（Ｐｉｐｅ）组成；管道与ＵＳＢ设备的端点（Ｅｎｄｐｏｉｎｔ）对应，一个端点可以配置为输入输出两个管道。在固件编程中，ＵＳＢ设备、配置、接口和管道都用描述符报告其属性。

图１为ＵＳＢ多层次通信模型。端点０默认配置为控制管道，用来完成所规定的设备请求(ＵＳＢ协议第九章)。其它端点可配置为数据管道。对开发而言，主要的大数据传输都是通过数据管道完成的[２]。

ＵＳＢ传输类型包括批量传输、等时传输、中断传输和控制传输，每种传输类型的传输速度、可靠性以及应用范围都不同[３]。控制传输可靠性是最高的，但速度最慢；等时传输速度快，满足实时性，但可靠性低。在具体应用中，端点传输类型可根据传输速度和可靠性选择。

在ＵＳＢ通信协议中，主机取得绝对主动权利，设备只能是“听命令行事”，通过一定的命令格式（设备请求）完成通信。ＵＳＢ设备请求包括标准请求、厂商请求和设备类请求。设备的枚举是标准请求命令完成的；厂商请求是用户定义的请求；设备类请求是特定的ＵＳＢ设备类发出的请求，例如海量储存类、打印机类和ＨＩＤ（人机接口）类。固件编程中设备请求必须遵循一定的格式，包括请求类型、设备请求、值、索引和长度。

１．２ ＵＳＢ接口芯片选择

ＵＳＢ接口芯片的类型有：

（１）按传输速度的高低：低速（１．５Ｍｂｐｓ）和全速(１２Ｍｂｐｓ)可选ＵＳＢ１．１接口芯片，例如Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＰＤＩＵＳＢＤ１２和Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＥＺ－ＵＳＢ２１００系列；高速（４８０Ｍｂｐｓ）可选ＵＳＢ２．０接口芯片，例如Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＩＳＰ１５８１和Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＣＹ７Ｃ６８０１３。

（２）是否带ＭＣＵ（微控制器）：一般Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的都不带ＭＣＵ，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司大多都带，例如ＡＮ２１３１。

（３）是否带主控器功能：不需要主机参与，主从设备间可进行数据传输，芯片有Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＩＳＰ１３０１和Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＳＬ８１１ＨＳ等。

还有专门用途ＵＳＢ芯片，例如闪存专用芯片ＩＣ１１１４。工程中用户可根据自己的需求选择一款性价比高的芯片。另外可用开发资源也是要考虑的重要方面，例如开发板和芯片厂商提供的网上资源，可大大降低开发的难度。

２ 基于ＵＳＢ接口的数据采集系统的设计

２.１ 系统简介

该系统能够实现１６路温度数据自动采集，系统的组成框图如图２所示。主要包括８个组成部分：中央处理器选用ＡＴ８９Ｃ５２芯片，完成各部分控制功能和ＵＳＢ传输协议；实时时钟记录当前测量温度的时间；温度传感器和接口电路主要完成温度采集，并读入ＭＣＵ处理；复位电路完成对ＭＣＵ的上电复位和电源电压监视；看门狗电路用来监视ＭＣＵ是否工作；存储电路主要存储采集到的温度数据以及采集的实时时间；电源电路主要为各部分提供要求的电源；外设与主机间的通信电路采用ＵＳＢ接口。

２.２ 接口芯片选择

接口电路采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＰＤＩＵＳＢＤ１２[４]（以下简称为Ｄ１２）芯片。主要因为Ｄ１２芯片信息、开发资源丰富，具有较高的性价比。

Ｄ１２芯片的主要特点包括：

·符合ＵＳＢ１．１版本规范；

·可与任何外部微控制器／微处理器实现高速并行接口(２ＭＢ／ｓ)；

·采用ＧｏｏｄＬｉｎｋ技术的连接指示器，在通信时使ＬＥＤ闪烁；

·主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输；

·在批量和等时模式下均可实现１ＭＢ／ｓ的数据传输率；

·完全自治的直接内存存取ＤＭＡ操作。

２．３ 接口硬件设计

由Ｄ１２接口组成的通信电路原理如图３所示。关于Ｄ１２的各引脚说明见参考文献[４]。多路地址／数据总线ＡＬＥ接单片机的ＡＬＥ脚，这样使用ＭＯＶＸ指令可以与Ｄ１２接口，对Ｄ１２操作就象对ＲＡＭ操作一样，此时忽略Ａ０（命令口和数据口地址线）的输入。因为没有使用ＤＭＡ传输方式，所以没有用到ＤＭＡＣＫ＿Ｎ、 ＥＯＴ＿Ｎ和ＤＭＲＥＱ＿Ｎ ＤＭＡ引脚。ＩＮＴ＿Ｎ是ＵＳＢ中断请求脚，发出ＵＳＢ中断请求；ＧＬ＿Ｎ是ＧｏｏｄＬｉｎｋ指示灯，在调试过程中非常有用，在通信时会不停闪烁。如果一直亮或者一直暗，表示ＵＳＢ接口有问题，如果Ｄ１２挂起，则ＬＥＤ关闭。ＣＬＫＯＵＴ是Ｄ１２的时钟输出，可以通过固件编程改变其频率，在调试固件时，可作为参考。

２．４ 接口程序设计

ＵＳＢ接口程序设计是ＵＳＢ开发的核心。ＵＳＢ接口程序设计包括三部分：单片机程序开发、ＵＳＢ设备驱动程序开发、主机应用程序开发。三者互相配合，才能完成可靠、快速的数据传输。

２．４．１ 单片机程序设计

单片机程序（又称固件）采用模块化程序设计，主要模块包括：数据采集模块、数据处理、监控模块和数据通信模块。模块化设计的优点是可靠性高、可读性好、升级简单。

通信模块固件结构如图４所示。主

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