基于USB的数据采集系统的研究与设计论文.docx

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基于USB的数据采集系统的研究与设计论文

数据采集系统USB接口的实现

自动化专业学生XXX

指导教师XXX

摘要：

USB通用串行总线是一种新型的微机接口规，随着客户对系统的数据采集速度要求的不断提高，USB以其易于扩展、速度快、方便使用等优点越来越多的应用于数据采集系统中。

本文论述了一种基于USB总线的数据采集系统的设计方法，通过对USB协议和设备构架的充分理解，对以单片机AT89C52和USB接口芯片CH372为核心的数据采集系统进行了硬件设计，并在此设计的基础上给出相应的电路原理图。

硬件设计主要解决的是CH372、TLC549和TLC5620与单片机之间的接口电路问题；USB软件设计由USB设备固件程序、设备驱动程序以及主机应用程序三部分组成。

本系统充分展现了USB总线安装方便、使用方便、功能齐全等优点。

关键词：

USB通用串行总线；单片机；数据采集系统

RealizeofDataAcquisitionSystemBasedonUSB

StudentmajoringinAutomationXXX

TutorXXX

Abstract：

USBUniversalSerialBusisanewtypeofcomputerinterfacespecification.Withcustomersonthesystemdataacquisitionspeedrequirementscontinuetoincrease,moreandmoreUSBwasusedindataacquisitionsystemswithitseasytoexpand,fast,easytouse,etc..ThispaperdiscussedaUSB-baseddatabusacquisitionsystemdesignapproach,throughtheUSBprotocolanddevicearchitecturefullyunderstanding,AT89C52microcontrollerandUSBinterfacechipCH372asthecoreofthedataacquisitionsystemhardwaredesign,andthecorrespondingcircuitdiagramonthebasisofthisdesign.ThehardwaredesignismainlytosolvetheproblemoftheinterfacecircuitCH372,TLC549andTLC5620communicatedwithmicrocontroller;USBsoftwarewasdesignedbytheUSBdevicefirmware,devicedrivers,andthehostapplicationconsistsofthreeparts

ThesystemhastheadvantageofUSBbustoinstall,easytouse,full-featured,etc..

Keywords：

USBbus；Datacollection；MCU

1绪论

1.1课题背景和研究意义

在工业生产中，往往需要使用PC机进行各种数据采集和处理，如温度和压力。

数据采集系统的主要任务是数据信息的采集、A/D转换，然后通过PC接口总线将数据送到计算机中进行进一步的处理。

目前，以该系统为核心的设备在国和国外已被广泛应用，如工业控制中现场数据采集设备；视频，家庭影院及其他多媒体设备。

数据采集卡与计算机外设一样，与主机通讯接口一般基于PC机上的ISA总线、PCI总线、RS-232总线等[1]。

虽然PCI总线具有更高的传输速率，并支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，而且由于PC扩展插槽一般5~6个，所以最多也只能有5~6个PCI数据采集卡同时使用在同一计算机，同时PCI插槽在主板上占用相当大的空间，这不利于小型化的计算机系统。

对于ISA总线也是存在同样的问题。

虽然RS-232C串行总线连接器简单，但其传输速度慢，且主机串口数目非常有限。

总之，这些传统接口的数据采集设备在使用上存在以下缺陷：

安装麻烦，受计算机插槽数量、中断资源、地址的限制，在一些强电磁干扰试验现场可能不会专门做出电磁屏蔽，从而会出现所收集的数据失真的情况。

通用串行总线USB很好地解决了这些问题。

USB总线接口的数据采集系统具有以下优点：

1.设备装配简单。

USB设备支持即插即用，无需打开机箱安装USB设备，无需再关闭计算机。

2.接口数目多，每个USB主机可以通过USB集线器同时挂接最多127个外围设备，可以有效的解决I/O口数目不够用的问题。

3.数据传输速度比一般的串行总线快，可以达到绝大部分多点数据采集系统的要求。

4.USB总线能够直接对设备进行供电[2]。

1.2USB的发展

USB（通用串行总线）作为一种新的外设连接技术，最初由康柏、DEC、IBM、英特尔、微软、NEC和北方电信等七大集团合作开发的。

这项技术的重点在于简化计算机和外围设备的连接过程，兼容低速和高速，从而解决串行设备和并行设备连接电脑的争论，为用户提供一个可扩展的、共享的、容易来使用的串行总线。

随着各级的发展和渗透，外设和PC连接与扩展已变得越来越重要。

1994年，微软公司的即插即用计划，重点在于PC外围设备和扩充电路板连接在一起，实现系统对端口和中断等资源自动分配，无需用户干预。

1996年康柏、英特尔和微软三家厂商提出设备托架的概念，其目的是实现高度的可扩展性[3]。

1.X版本在USB中首次引入，它的总线传输速率低，有12Mbps（全速）和1.5Mbps（低速）两种。

目前，它主要用在传统的PC外设，如键盘、鼠标、显示器等，移动存储设备，如U盘，以及新兴的消费类电子产品，如移动、MP3播放器、MP4、MP5等。

USB2.0于2000年4月公布，是一个高速模式的版本，它的数据传输速度可达480Mbps，同时保持USB1.1优势的前提下，保证了向下兼容性，可以完全支持USB1.1产品。

不过，如果要使用高速传输，则必须使用兼容USB2.0的主机软件和主机控制器，这意味着这台主机的操作系统必须安装USB2.0的补丁，同时安装支持USB2.0主机控制器或PCI扩展卡。

随着USB设备急剧增长，设备和设备之间的直接数据传输变得越来越重要，在2001年12月底USBOTG技术应运而生，开发设备上给予双重身份。

作为主机的同时也可以作为一个设备，其实质是在设备加一个嵌入式计算机来执行主机任务。

这项技术使USB设备来摆脱对电脑的依赖，USB应用的围大大扩展。

1.3国外现状

国外公司纷纷推出了很多以适应不同精度，不同条件要求的USB数据采集产品。

典型的是美国NI公司开发了一系列的USB数据采集卡，NI公司于2006年6月推出了两款最新的采样率高达1.25MB/s的USB2.0总线M系列数据采集设备。

这些新器件不仅能提供最高速率的数据采集功能，更是一种强大的测量服务软件，以简化编程工作和系统设置。

新设备包括一个免费的USB2.0高速交互式数据记录软件进行分析。

但是，该公司的USB数据采集卡系列产品的价格是非常昂贵的。

近年来，国也有不少公司也都纷纷推出了USB数据采集卡，而这些产品大多是基于USB1.1协议规，数据传输速度远低于基于USB2.0协议规数据采集卡，因此限制了采集速度。

目前，USB接口的开发和应用在广度和深度上远远不如传统的串行端口、并行端口以及各种总线插卡，其应用主要局限于制定一些标准的PC外围设备，如U盘、键盘、鼠标。

这主要是因为作为一个新的技术和新的标准，USB规是更复杂的，相应的技术支持比较少，应用程序开发人员都不是很了解，USB接口作为通用I/O接口使用有一定硬件和软件的开发难度。

USB2.0接口具有低成本、灵活方便、高性能以及可靠稳定的特点，将会逐步成为计算机的主要输入和输出方式。

总体来看，目前国USB数据采集设备的发展已经取得了较大的进步，但与国外在开发和应用的深度和广度而言，还有一定的距离，在一些现场数据采集的要求相对高的场合还是较多的采用外国产品。

因此，随着电脑对USB接口的普及和数据采集卡的实际应用增加，使用USB2.0协议规开发符合各种场合的数据采集系统，以及推进产品的国产化已成为急需解决的现实问题[4]。

1.4本设计研究的主要容

设计一款自适应的USB接口的数据采集系统，能够通过通用的串行总线接口替代传统的数据采集板槽式应用。

此设计包括硬件系统和软件系统的设计。

数据采集系统的硬件系统包括A/D转换电路、D/A转换电路、接口芯片与USB连接图以及周边电路的设计。

软件系统包括固件程序、驱动程序以及用户程序的设计来完成数据的采集及显示工作。

2硬件系统的设计

2.1硬件方案的选择

在芯片方面处理器采用功能强大的AT89C52，因为其适用于许多较复杂系统控制的应用场合；A/D转换器及D/A转换器分别采用TLC549及TLC5620；由于CH372具有灵活省事的外置盒置双重固件模式，置了USB通讯中的底层协议，所以接口芯片采用CH372。

2.1.1芯片的选择本设计采用51单片机中的AT89C52为主控制器件。

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能8位CMOS单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，可灵活应用于各种领域。

AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在硬件组成、引脚排列、指令系统和工作特点等方面兼容。

其主要工作特性是：

片程序存储器含8KB的Flash程序存储器，擦写寿命可达到1000次；片数据存储器含256字节的RAM；具有32根可编程的I/O口线；具有3个可编程的定时器；中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断结构；具有一个数据指针DPTR；低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；AT89C52工作电源电压典型值为5V[5]。

CH372具有灵活省事的置和外置两种双重固件模式，置了USB通讯中的底层协议。

在外置固件模式下，所有USB请求由外部单片机根据需要自行处理，从而实现符合各种USB类规的设备。

在置固件模式下，本地端单片机只负责数据交换，端点0的所有事务由CH372自动处理默认，单片机程序非常简洁[6]。

2.1.2硬件系统设计方框图

图2-1总体设计方案模块关系方框图

16路模拟信号经A/D转换器转变成数字信号送入微处理器，再由D/A转换器转变为16路开关信号送出；开关量信号经过开关输入电路读入微处理器进行处理，处理后的结果经74LS273锁存输出；8路脉冲信号由脉冲输入电路输入微处理器经处理后送出；整个过程计算机通过接口芯片CH372对微处理器进行控制；微处理器由电源直接供电。

2.2A/D转换和D/A转换

2.2.1TLC549芯片电路设计TLC549是TI公司生产的一种高性能、低价位的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，最大转换速率为40KHZ，4MHZ典型部系统时钟，电源为3V至6V。

它能很好的采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统[7]。

TLC549的其他特点包括可在微处理器控制下控制片采样-保持电路或自动工作；具有差分高阻抗基准电压输入端、易于实现比率转换的高速转换器；整个开关电容逐次逼近转换器电路的设计允许以不大于±0.5的误差在0-17µs的时间围实现最低有效位精度的转换。

TLC549中REF-接