《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)
摘要: 講述了一種基于USB的12 b高速數(shù)據(jù)采集與信號分析系統(tǒng)的設(shè)計,設(shè)計中采用了FPGA(可編程邏輯器件)實現(xiàn)時序邏輯信號的控制,,從而整個系統(tǒng)的設(shè)計具有很大的靈活性,。該系統(tǒng)在Windows 2000環(huán)境下的驅(qū)動程序及用戶應(yīng)用程序采用的是VisualC++語言實現(xiàn)的,而固件代碼則是用C語言實現(xiàn)的,。系統(tǒng)具有低成本,、高性能的特點,能夠廣泛應(yīng)用于測控,、信號分析等多個領(lǐng)域
關(guān)鍵詞: USB 數(shù)據(jù)采集
Abstract:
Key words :

       1 引 言

       在智能儀器,、信號處理以及工業(yè)自動控制等領(lǐng)域,都存在著數(shù)據(jù)的測量與控制問題,,常常需要將外部的溫度,、壓力、流量,、位移等模擬量進行采集,。目前常用的數(shù)據(jù)采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡,常用的有ISA總線,,PCI總線,,422,485等接口形式的A/D采集卡,,這種板卡不僅安裝麻煩,,而且易受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制,。通用串行總線(UniversalSerialBus,,USB)的出現(xiàn),很好地解決了以上問題,。本文所設(shè)計的就是基于USB總線的快速12 b的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。

      

 

2 USB總線簡介

       USB總線是Intel,DEC,,Microsoft,,IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線接口規(guī)范,是為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn),。USB具有較高的傳輸速度: USB協(xié)議1.1支持低速(1.5 Mb/s)和全速(12 Mb/s)2種傳輸模式,,而2.0協(xié)議支持的速度提高到480 Mb/s。他的數(shù)據(jù)傳輸速度比標(biāo)準(zhǔn)串/并口高,,且具有使用簡單,、支持即插即用、易于擴展等特點,。

       USB接口采用4線電纜,,其中2根信號線,,1根電源線和1根地線,電源線可以向外設(shè)提供最大5 V,,500 mA的電流,。USB接口有4種傳輸方式:控制傳輸、批量傳輸,、終端傳輸和同步傳輸,可以滿足不同傳輸?shù)男枰?br />
       3 USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

       整個系統(tǒng)主要由4部分組成:USB接口芯片及外圍電路,、控制電路,、數(shù)據(jù)緩沖電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。USB接口芯片選擇了Cypress公司的EZ-USB 2131Q,,該芯片內(nèi)嵌8051控制器,,因此整個系統(tǒng)以EZ-USB控制器為核心,由EZ-USB經(jīng)控制電路實現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)緩沖電路的控制,,模擬信號轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖器,,當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖器存滿之后,通知EZ-USB控制器,,由主機取出數(shù)據(jù),。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。

 

系統(tǒng)框圖


       3.1 USB接口電路設(shè)計

       EZ-USB2131Q是CYPRESS公司生產(chǎn)的EZUSB系列芯片的一種,,該芯片集成了USB外設(shè)接口所需的功能電路,,其原理框圖如圖2所示。

原理框圖


       AN2131Q具有24個I/O引腳,,16 b地址總線和8 b數(shù)據(jù)總線,,可以進行外部存貯器的擴展。

       圖2中的微處理器是一個具有快速執(zhí)行周期和加強特性的8051核,,其性能是標(biāo)準(zhǔn)8051的5倍,,指令系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容。他使用內(nèi)部RAM存儲固件和數(shù)據(jù),,上電后USB主機通過USB總線將固件和外設(shè)特性描述符下載到RAM中,,然后重新連接,按照描述符中定義的外設(shè)特性完成重列舉,。這使得USB有一個“軟”解決方案,,即USB外設(shè)的設(shè)計者可以隨時設(shè)置和升級固件,不受端口數(shù),、緩沖大小,、傳輸速度及傳輸方式的限制。

       本系統(tǒng)中EZ-USB的外圍電路主要包括EZ-USB芯片和PC機的接口電路,、電源模塊及EZ-USB 供電電路,、E2PROM枚舉電路(I2C總線上連接 E2PROM存儲設(shè)備的PID,,VID),其主要功能是保證EZ-USB芯片的正常工作并實現(xiàn)和PC機的通訊,;功能電路是利用他的I/O引腳實現(xiàn)的,,由于EZ-USB的 I/O是可編程的,通過寄存器設(shè)置PA口的高4位和PB口為輸入,,用來傳輸數(shù)據(jù)緩沖器中的12 b數(shù)據(jù),,利用 C口接收中斷和產(chǎn)生控制信號。

       EZ-USB為塊傳輸,、控制傳輸和中斷傳輸提供了16個端點,,在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計中使用了塊傳輸方式,使用終端2-in來傳輸數(shù)據(jù),,允許的最大數(shù)據(jù)包為64 B,;終端1-out和終端3-out輸出控制信號。

       3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

      
系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換芯片采用了MAXIM公司的MAX122,,該芯片是12 b的高速的A/D轉(zhuǎn)換器,。在完全轉(zhuǎn)換模式下,他的轉(zhuǎn)換時間可以達到2.6μs,,采樣率為333 kS/s,。MAX122有5種工作模式,在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,,采用了模式2即連續(xù)轉(zhuǎn)換模式,。在這種模式下,每次轉(zhuǎn)換需要13~14個時鐘脈沖節(jié)拍,,轉(zhuǎn)換可以不間斷地進行,,但是需要提供開始轉(zhuǎn)換使能信號,并且要保證使能信號和時鐘信號同步,,讀信號和片選始終處于有效狀態(tài),。數(shù)據(jù)輸出使能信號一直有效,在轉(zhuǎn)換結(jié)束時產(chǎn)生新的數(shù)據(jù),。

       3.3 控制電路及數(shù)據(jù)緩沖電路

       A/D轉(zhuǎn)換器MAX122的采樣率較高,,得到的數(shù)據(jù)不能通過USB總線直接傳送給主機,因此需要在A/D轉(zhuǎn)換器和主機之間連接數(shù)據(jù)緩沖器,,A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)先存儲在緩沖器中,,當(dāng)緩沖器數(shù)據(jù)存滿之后,通知主機取走數(shù)據(jù),。這里的數(shù)據(jù)存儲器使用的是128 k×8的靜態(tài)RAM,,使用2片并接將數(shù)據(jù)線擴展成16 b。

    &n 控制電路是整個系統(tǒng)的核心,系統(tǒng)中采用一片Altera公司的EPM7128設(shè)計實現(xiàn)控制電路,,該器件具有在線調(diào)試的功能,,因此給設(shè)計帶來了很大的方便??刂齐娐返脑砜驁D如圖3所示,。

 

控制電路的原理框圖


       控制電路主要由以下部分組成:邏輯控制電路、時鐘電路,、三態(tài)緩沖電路,、時序邏輯控制電路和地址發(fā)生器。邏輯控制電路接收USB控制器發(fā)出的控制信號,,產(chǎn)生三態(tài)緩沖電路和時鐘電路的控制信號,;三態(tài)緩沖電路控制數(shù)據(jù)傳輸方向,是由MAX122傳輸?shù)絉AM,,還是由RAM傳輸?shù)経SB控制器;時鐘電路用 來產(chǎn)生MAX122的時鐘信號CLKIN和轉(zhuǎn)換開始信號CONVST,,以及地址發(fā)生器的時鐘信號,;時序邏輯電路調(diào)整相關(guān)信號之間的同步,保證電路的時序正確,;地址21發(fā)生器由計數(shù)器來實現(xiàn),,提供RAM的讀寫地址信號。

       系統(tǒng)的工作過程如下:控制電路接收到開始采集信號時,,控制三態(tài)緩沖電路的數(shù)據(jù)傳輸方向為A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存入SRAM中,,并且使時鐘電路產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換開始信號CONVST、時鐘CLKIN 信號和地址發(fā)生器的時鐘信號及控制信號,。CONVST和CLKIN信號還必須通過時序邏輯控制電路調(diào)整使2個信號同步,,CONVST信號在下一個時鐘信號(CLKIN)上升沿來到之前保持低電平至少50 ns,確保轉(zhuǎn)換時間為13個時鐘周期,。并且地址發(fā)生器的時鐘信號也要和CONVST信號同步,,使A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能存入正確的地址中。

      控制電路接收到讀數(shù)據(jù)的信號時,,便產(chǎn)生控制信號,,使三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器的數(shù)據(jù)傳輸方向是從SRAM到USB控制器,地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址信號是SRAM的讀地址,。當(dāng)?shù)刂钒l(fā)生器的計數(shù)器計數(shù)到1FFFFH(128 kb),,即RAM的最后一個地址時,計數(shù)器發(fā)生溢出,,產(chǎn)生溢出中斷信號INT0和INT1到USB控制器的PC口的第2位和第3位(設(shè)置為8051輔助功能位),,當(dāng)USB接收到中斷信號之后,在中斷服務(wù)程序中,進行相應(yīng)的讀處理,。


       SRAM的讀/寫是相互獨立的,,由地址發(fā)生器產(chǎn)生地址信號,地址發(fā)生器由計數(shù)器來實現(xiàn),。當(dāng)開始采集數(shù)據(jù)時,,對RAM進行寫操作,地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址信號清0,,同時必須使能RAM的寫使能,,在寫使能低有效時,數(shù)據(jù)就寫入SRAM,。時鐘信號和A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時鐘相一致,,每產(chǎn)生一個數(shù)據(jù),地址自動加1,。當(dāng)采集結(jié)束時,,主機發(fā)出命令取出數(shù)據(jù),對RAM進行讀操作,,當(dāng)?shù)谝粋€讀脈沖到達時,,地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址信號清0,時鐘信號和USB控制器讀的周期相一致,,每讀一個字節(jié),,地址自動加1。


       4 系統(tǒng)驅(qū)動程序設(shè)計

       USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其系統(tǒng)軟件包括3個方面:USB外設(shè)固件(Firmware),、主機操作系統(tǒng)上的用戶驅(qū)動程序和用戶操作界面的應(yīng)用程序,。

       USB外設(shè)固件框架是由EZ-USB軟件開發(fā)包中提供的,根據(jù)用戶的需要填寫其中的函數(shù),,這些函數(shù)主要包括:
       TD_Init()(用于初始化Firmware的全局狀態(tài)變量),;
       TD_Poll()(用于調(diào)用實現(xiàn)外設(shè)主要功能的用戶子程序)。

       這2個函數(shù)是用戶一定要填寫的,。

       數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中TD_Init()主要包括PA,,PB和PC的初始化以及其他用到的寄存器的初始化。

       TD_Poll()主要包括控制信號和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn),。初始化時,,必須按照一定的順序?qū)拇嫫鬟M行操作。

       另外,,還必須注意INT0和INT1中斷響應(yīng)程序的處理,。

       EZ-USB的用戶驅(qū)動程序包括下載Fireware的驅(qū)動程序和功能驅(qū)動程序,前者稱為ezloader,,后者稱為通用驅(qū)動程序GPD,。用戶應(yīng)用程序的開發(fā)就是基于通用驅(qū)動程序GPD的接口進行的,。用戶操作界面的應(yīng)用程序使用VC++6

 

.0來實現(xiàn),在應(yīng)用程序中對EZ-USB硬件進行讀寫調(diào)用CreatFile,,CloseFile,,ReadFile,WriteFile,,IOControl等對設(shè)備直接操作的函數(shù),。

       5 結(jié) 語

       本文系統(tǒng)介紹了基于USB接口的快速12 b數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),完成了軟硬件的設(shè)計工作,。由于采用了USB接口,,使數(shù)據(jù)采集卡可以即插即用,彌補了傳統(tǒng)采集板卡插拔困難的不足,,目前該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,,采樣的精度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣榷歼_到了預(yù)期的目的,已經(jīng)用于測試測控系統(tǒng)中,,效果很好,。

 
參考文獻
[1]Compaq,Intel,,Microsoft,,NEC,Universal Serial Bus  Specification,,Revision 1.1 Sep 23, 1998.
[2]Cypress EZ-USB Technical Reference Manual Version 1.9,,May 2000.
[3]Chris Cant.WDM設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)指南 [M].北京:機械工業(yè)出版社,,2000.
[4]顏榮江.EZ-USB2100系列單片機原理、編程及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,,2002.

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