傳感器輸出的模擬信號,，經(jīng)多路開關(guān)選通接入信號放大器,，信號放大器能自動調(diào)整增益的大小，對輸入的信號在A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器的量程內(nèi)進行信號放大,，然后由ARM芯片控制進行A/D轉(zhuǎn)換,，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入嵌入式微控制器，由USB接口電路傳遞給PC機進行數(shù)據(jù)處理,，同時將PC機端的客戶應用程序" title="應用程序">應用程序發(fā)出的控制信號通過USB接口傳送到以ARM芯片為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。
1.1 方案選擇
1.1.1 USB接口芯片和主控制器芯片的選擇
　　USB控制器有兩類，一類是集成了USB接口的單片機,，如Cypress公司生產(chǎn)的EZ-USB（基于8051）系列芯片CY7C68013,、CY7C64613等；另一類是單獨的USB控制器,，如Philips公司的PDIUSBD12,、ISP1581，NetChip公司的NET2888,，National公司的USBN9603,、USBN9604等,。前種芯片雖然編程簡單，但需要購置專門的開發(fā)系統(tǒng),，投資較大,，并且單片機性能有限；后者的特點是價格低廉,、連接方便,、可靠性高，但其片上不帶CPU,，必須選擇微處理器來進行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換,。本系統(tǒng)選擇了片上不帶CPU的性價比較高的USB2.0控制芯片ISP1581，它完全符合USB 2.0規(guī)范,，速度可達480Mbps,。采用ISP1581可以快速開發(fā)出高性能的USB2.0設(shè)備；同時為了滿足速度要求,，主控器芯片選擇了高性能,、低功耗的ARM芯片S3C44B0X。
1.1.2 信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇
　　在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,，現(xiàn)場輸入信號是變化范圍較大的高頻模擬信號,，如果采用單一的增益放大，則放大后的信號幅值有可能超過A/D轉(zhuǎn)換的量程,，所以必須根據(jù)信號的變化來相應地調(diào)整放大器的增益,。本系統(tǒng)選用了AD8321這種頻帶寬、噪聲低,、增益可數(shù)控,，且十分適合在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作前置放大用的高頻模擬信號調(diào)理芯片。高頻模擬信號放大后被送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中,，S3C44B0X自身雖集成有8路10位ADC,，但其內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換只能輸入0～100Hz的模擬信號，且沒有采樣保持電路,，因此需要對其進行擴展,。為了滿足8路采集，選擇了高速A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7829,，最大轉(zhuǎn)換速率2MSPS,，轉(zhuǎn)換時間為420ns。
1.2 硬件接口電路
　　本系統(tǒng)硬件接口電路連接如圖2所示,。

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　　本系統(tǒng)利用S3C44B0X的PD口為雙向口進行擴展,，將AD7829的CONVST與S3C44B0X的PD1相連，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換脈沖；AD7829的EOC與S3C44B0X的PD0相連,，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,。采集信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)先存放在S3C44B0X的寄存器里,， S3C44B0X先發(fā)控制信號再發(fā)數(shù)據(jù)給ISP1581,，在此將ISP1581的緩沖區(qū)定義為8個，分別寫入8路轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),。而PC機通過USB接口與ISP1581連接,，ISP1581負責分類和解釋PC機發(fā)來的信號，具體操作流程如下：PC機發(fā)送給USB設(shè)備的數(shù)據(jù)以包的形式寫入ISP1581的緩存中,，當緩存被寫滿或數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,，ISP1581就給ARM發(fā)中斷信號，ARM響應中斷信號進入中斷服務程序執(zhí)行相應的包處理,。另一方面,，USB設(shè)備不能主動向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，只有當PC機要求USB設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時,，ARM才將主機需要的數(shù)據(jù)寫入ISP1581相應端點的緩存中,。
2 軟件設(shè)計
2.1 數(shù)據(jù)采集部分
　　數(shù)據(jù)采集是由S3C44B0X的PD口發(fā)出脈沖作為AD7829的轉(zhuǎn)換脈沖CONVST，當AD7829轉(zhuǎn)換結(jié)束時,，EOC輸出有效低電平,，S3C44B0X接到有效電平后，發(fā)下一路地址,，然后讀數(shù)據(jù),。當AD7829的和信號有效時，在數(shù)據(jù)讀入S3C44B0X的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的同時將下一路的地址打入,，這樣循環(huán)采集8路模擬輸入,，直到數(shù)據(jù)采集結(jié)束，本過程的流程圖如圖3所示,。

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2.2 USB部分軟件設(shè)計
　　USB系統(tǒng)軟件由固件程序" title="固件程序">固件程序,、USB系統(tǒng)驅(qū)動程序和應用程序三部分構(gòu)成,。
2.2.1 固件程序的開發(fā)
　　固件程序?qū)嶋H上是置于微控制器內(nèi)部的程序文件,，用來輔助硬件完成通信任務。通過ISP1581的INT中斷信號與微控制器S3C44B0X的EINT0中斷口相連,，當接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)成功時就會產(chǎn)生中斷,，固件程序的任務就是對這些中斷進行響應，完成設(shè)備的配置,，讓USB驅(qū)動程序知道設(shè)備的能力,，接收USB主控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)和向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)備固件程序是設(shè)備運行的核心，本系統(tǒng)采用Keil C進行編寫,。SP1581的固件程序采用模塊化設(shè)計,，包括主循環(huán)程序、中斷服務程序,、USB標準請求處理和批量數(shù)據(jù)傳送請求處理四部分,。固件模塊結(jié)構(gòu)見圖4。

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2.2.2 應用程序
??? 應用程序包括Win32DLL程序和用戶應用程序,。Win32動態(tài)連接庫包含共享函數(shù)庫的二進制文件,，可以被多個應用程序同時使用?？蛻魬贸绦騽t是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的軟件程序,，在本系統(tǒng)中采用Visual C++進行編寫。
2.2.3 USB系統(tǒng)驅(qū)動程序
　　USB系統(tǒng)驅(qū)動程序采用分層結(jié)構(gòu)模型(WDM),，該模型定義了分層的驅(qū)動程序,， USB設(shè)備驅(qū)動程序不直接與硬件對話，而是通過USB驅(qū)動程序接口將USB請求塊提交到總線驅(qū)動程序進而完成硬件操作,。從系統(tǒng)的角度來說,，在USB設(shè)備插入主機后，主機檢測到USB設(shè)備,，讀取設(shè)備描述符" title="描述符">描述符,，然后主機根據(jù)設(shè)備描述符中提供的廠商ID和產(chǎn)品ID等，啟用相應USB設(shè)備驅(qū)動程序,，讀取USB設(shè)備中的配置描述符,、接口描述符和端點描述符，根據(jù)需要選擇恰當?shù)呐渲?、接口和端點,，確定傳輸方式。這一過程完成后,，PC機與USB設(shè)備之間就能夠進行數(shù)據(jù)傳輸了,。
??? USB總線的特點使其非常適合用作小型儀器與主機之間的通訊接口，實現(xiàn)主機與便攜式儀器之間的簡單,、快速和可靠的連接,。將USB接口應用到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度,，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本文詳細介紹了基于ARM芯片S3C44B0X和USB2.0接口控制芯片ISP1581的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計開發(fā)方案，設(shè)計開發(fā)過程較為繁雜,，涉及到多方面的軟件程序與硬件電路的聯(lián)合使用,，通過實驗測試，效果良好。