隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,，人們對數(shù)據(jù)采集的性能指標(biāo)要求越來越高,，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式已經(jīng)不能滿足需要,。通用串行總線因 (USB)具有傳輸速度快、即插即用,、易于擴展,、占用系統(tǒng)資源少等優(yōu)點；嵌入式實時操作系統(tǒng) (RTOS)中的 μC/OS-Ⅱ則具有代碼效率高,、占用空間小,、良好的實時性和可靠性等特點。本文將二者與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合,，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于 USB通信和 μC/OS-Ⅱ的集數(shù)據(jù)采集,、分析、顯示為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

    基于 USB通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示,。系統(tǒng)的工作過程就是一個數(shù)據(jù)采集的過程，其中的每一步都需要不同組的支持,。首先，溫度和壓力參數(shù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成模擬信號,，模擬信號經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換變單片機可識別的數(shù)字信號,。單片機將數(shù)字信號進行處理之后，就可以送往 LED顯示或者發(fā)送給 USB接口芯片,。USB接口芯片在主機需要的時候,，把接收到的數(shù)據(jù)經(jīng) USB總發(fā)送給主機進行處理和顯示。主機和 USB接口的通信則需要設(shè)備固件程序,、USB設(shè)驅(qū)動程序和 USB主機應(yīng)用程序的支持,。

3 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

    USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個部分：USB通信電路部分、數(shù)據(jù)采集電路部分,、數(shù)碼顯示電路部分和固件程序下載電路部分,。這些模塊的功能都是在以 ATmega16為核心的硬件平臺上實現(xiàn)的。

3.1 USB通信電路的設(shè)計

    USB通信電路的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備端和主機端之間的通信,，這一功能主要是由核心微控制器 ATmega16和 USB控制器件 PDIUSBD12實現(xiàn)的,。其中， PDIUSBD12是符合 USB1.1協(xié)議的芯片,，在 USB通信電路中起著聯(lián)系設(shè)備和主機的橋梁的作用,。微控制器 ATmegal6和 USB控制器 PDIUSBD12之間通過 8位并行總線進行通信， 8位并行總線在 ATmegal6端需要連接 8個 I/O口,。PDIUSBD12片內(nèi)集成了時鐘乘法 PLL,，晶振電路使用 6MHZ的晶振和兩個 2pF到 68pF的電容。 PDIUSBD12的信號輸出端 D+/D一上要各串接一個 18歐的匹配電阻,。通信電路如圖 2所示,。

3.2  數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計數(shù)據(jù)采集電路的功能就是將現(xiàn)場的溫度,、壓力以及應(yīng)力等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的模擬信號，再把模擬信號傳送給 A/D轉(zhuǎn)換電路,。此模塊包括溫度采集模塊和壓力采集模塊兩部分,。

    由于 ATmegal6片內(nèi)集成了可調(diào)增益的差分放大電路和 A/D轉(zhuǎn)換通道，所以溫度采集電路僅由一個用于測溫的電橋組成,。具體做法是根據(jù)熱電阻阻值隨溫度變化的特性,，將銅熱電阻作為電橋的一臂，當(dāng)溫度改變時,，電橋輸出電壓也隨之發(fā)生變化,。將電橋輸出電壓送至 ATmegal6內(nèi)部的采樣保持電路，然后進行放大,、 A/D轉(zhuǎn)換,，再經(jīng)過固件程序的換算就可以得到測量溫度了。
在本系統(tǒng)中,，測量壓力采用的器件是廣州森納士儀器有限公司生產(chǎn)的壓力變送器,，其量程是 0.0lMPa，輸出信號是 4~20mA的電流,。當(dāng)壓力改變時,，輸出電流也隨之發(fā)生變化，所以在信號輸出端接一個精密電阻,，然后對電阻兩端的電壓進行采樣和轉(zhuǎn)換,，再經(jīng)過固件程序的換算就可以得到測量壓力了。

3.3 固件程序下載電路

    固件程序下載電路的功能就是將編譯好的程序代碼下載到 ATmegal6單片機的 Flash中去,。 ATmega16支持多種編程模式,，其中比較簡單也比較方便的一種就是 ISP(In-system-programming，在系統(tǒng)編程)模式,，即通過串行 SPI(serial peripheral Interface,，串行外設(shè)接口)總線將在 windows中調(diào)試、編譯好的程序代碼下載到 ATmegal6的存儲器,。 Flash程序存儲器,、 EEPROM數(shù)據(jù)存儲器、熔絲位和加密鎖定位都可以在這種模式下編程,。固件程序下載電路如圖 3所示,。

3.4 LED顯示部分設(shè)計

    如圖 4所示，系統(tǒng)的顯示是使用 MAX7219實現(xiàn)的 8位穩(wěn)定靜態(tài)顯示,，MAX7219是串行共陰極數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示驅(qū)動芯片,，僅使用 3線串行接口傳送數(shù)據(jù)，可直接與單片機接口,，用戶還可以方便地修改其內(nèi)部參數(shù)以實現(xiàn)多位 LED顯示,，因此可以方便地使用單片機的串口送出顯示數(shù)據(jù),，并且其占用的時間少，方便編程及對信號的檢測,。

4 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件開發(fā)

    USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個多任務(wù)系統(tǒng),，而且程序結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，為了提高開發(fā)率,，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，降低開發(fā)和維護成本，就需要一個嵌入式操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)發(fā)和運行的平臺,。?C/OS-Ⅱ作為一個源碼公開的免費型嵌入式實時操作系統(tǒng),，其穩(wěn)定性好、可靠性高,，而且 ?C/OS-Ⅱ還具有移植性好,、可固化、可裁剪等特點,，非常適合作為 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)平臺,。

    USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件由三個部分組成：USB設(shè)備固件程序、主機 PC上的 USB設(shè)備驅(qū)動程序和主機上的客戶應(yīng)用程序,。系統(tǒng)軟件的組成及各部分之間的關(guān)系如圖 5所示,。

    固件程序按功能可以劃分為 USB通信程序、A/D轉(zhuǎn)換程序和 LED顯示程序,，其中 USB通信程序是整個固件程序的主要部分，其功能是實現(xiàn) USB設(shè)備枚舉和數(shù)據(jù)傳輸,。USB設(shè)備枚舉是 USB設(shè)備插上之后,，主機與設(shè)備交換信息并自動配置的過程，枚舉成功后,， USB接口與主機就可以進行通信了,。

    設(shè)備驅(qū)動程序是連接設(shè)備和主機應(yīng)用程序的紐帶，它向上提供應(yīng)用程序的訪問接口 (API),，向下則實現(xiàn)對具體設(shè)備的訪問和管理功能,。驅(qū)動程序與設(shè)備硬件和上層用戶程序密切相關(guān)，在 USB體系的中間起到信息轉(zhuǎn)換和傳遞的中介作用,。在開發(fā) USB設(shè)備時,，設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計是一個非常重要的環(huán)節(jié)，直接影響到整個設(shè)備系統(tǒng)的性能,。

    本系統(tǒng)采用 Driverworks開發(fā) WDM型 USB設(shè)備驅(qū)動程序應(yīng)用程序的主要功能是在設(shè)備驅(qū)動程序中查找設(shè)備,，與設(shè)備交換數(shù)據(jù)，并將設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行處理和顯示,。應(yīng)用程序和驅(qū)動程序的通信是通過訪問應(yīng)用程序接口 (API)函數(shù)實現(xiàn)的,，所以應(yīng)用程序的開發(fā)必須在能訪問 API函數(shù)的平臺上進行,。 Microsoft公司提供的visualC++6.0是一種功能強大的支持 API函數(shù)的編程工具，本設(shè)計的主機應(yīng)用程序就是以VC為平臺進行開發(fā)的,，其功能主要包括查找 USB設(shè)備,，與 USB設(shè)備交換數(shù)據(jù)和動態(tài)顯示數(shù)據(jù)曲線。

5 總結(jié)

    本文的創(chuàng)新點在于完成的基于 USB接口和 μC/OS-Ⅱ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，采樣頻率可達 15KSPS(每秒采樣次數(shù)),，數(shù)據(jù)傳輸錯誤恢復(fù)率大于 99%，即插即用,、使用方便且具有很低的開發(fā)成本,，可以為數(shù)據(jù)采集特別是電池供電移動或手持采集設(shè)備提供一種有效的解決方案和方便使用、高效傳輸?shù)脑O(shè)備形式,；其次,，而在 PC端引入微軟新近的 WDM驅(qū)動程序模型，在其基礎(chǔ)上開發(fā)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序,，可以成功地對設(shè)備進行識別,、配置，并提供了同設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序接口,，基于這些接口,，編制了具有查詢設(shè)備、與設(shè)備交換數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)繪制成動態(tài)曲線等功能的 PC端應(yīng)用程序,。