基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

第第頁基于usb的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計及實現(xiàn)在智能儀器、信號處理以及工業(yè)自動控制等領域，都存在著數(shù)據(jù)的測量與控制問題，經(jīng)常需要將外部的溫度、壓力、流量、位移等模擬量舉行采集。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，pci總線，422，485等接口形式的a／d采集卡，這種板卡不僅安裝棘手，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，）的浮現(xiàn)，很好地解決了以上問題。本文所設計的就是基于usb總線的迅速12b的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2usb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，是為了解決日益增強的pc外設與有限的主板插槽和端口之間的沖突而制定的一種串行通信標準。usb具有較高的傳輸速度：usb協(xié)議1．1支持低速（1．5mb／s）和全速（12mb／s）2種傳輸模式，而2．0協(xié)議支持的速度提高到480mb／s。他的數(shù)據(jù)傳輸速度比標準串／并口高，且具有用法容易、支持即插即用、易于擴展等特點。

usb接口采納4線電纜，其中2根信號線，1根電源線和1根地線，電源線可以向外設提供最大5v，500ma的。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?/p>

3usb接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計實現(xiàn)

囫圇系統(tǒng)主要由4部分組成：usb接口芯片及外圍、控制電路、數(shù)據(jù)緩沖電路和a／d轉換電路。usb接口芯片挑選了公司的ez-usb2131q，該芯片內(nèi)嵌8051控制器，因此囫圇系統(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轉換電路和數(shù)據(jù)緩沖電路的控制，模擬信號轉換后的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖器，當數(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)。囫圇系統(tǒng)框圖1所示。

3．1usb接口電路設計

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外設接口所需的功能電路，其原理框圖2所示。

an2131q具有24個i／o引腳，16b地址總線和8b數(shù)據(jù)總線，可以舉行外部存貯器的擴展。

圖2中的微處理器是一個具有迅速執(zhí)行周期和加強特性的8051核，其性能是標準8051的5倍，命令系統(tǒng)與標準的8051兼容。他用法內(nèi)部ram存儲固件和數(shù)據(jù)，上電后usb主機通過usb總線將固件和外設特性描述符下載到ram中，然后重新銜接，根據(jù)描述符中定義的外設特性完成重列舉。這使得usb有一個“軟”解決計劃，即usb外設的設計者可以隨時設置和升級固件，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、及ez-usb供電電路、e2prom枚舉電路（i2c總線上銜接e2prom存儲設備的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，因為ez-usb的i／o是可編程的，通過寄存器設置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12b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)設計中用法了塊傳輸方式，用法終端2-in來傳輸數(shù)據(jù)，允許的最大數(shù)據(jù)包為64b；終端1-out和終端3-out輸出控制信號。

3．2a／d轉換電路

系統(tǒng)中a／d轉換芯片采納了maxim公司的max122，該芯片是12b的高速的a／d轉換器。在徹低轉換模式下，他的轉換時光可以達到2．6μs，采樣率為333ks／s。max122有5種工作模式，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采納了模式2即延續(xù)轉換模式。在這種模式下，每次轉換需要13～14個時鐘脈沖節(jié)拍，轉換可以不間斷地舉行，但是需要提供開頭轉換使能信號，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)輸出訪能信號向來有效，在轉換結束時產(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轉換器max122的采樣率較高，得到的數(shù)據(jù)不能通過usb總線挺直傳送給主機，因此需要在a／d轉換器和主機之間銜接數(shù)據(jù)緩沖器，a／d轉換器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)先存儲在緩沖器中，當緩沖器數(shù)據(jù)存滿之后，通知主機取走數(shù)據(jù)。這里的數(shù)據(jù)存儲器用法的是128k×8的靜態(tài)ram，用法2片并接將數(shù)據(jù)線擴展成16b。

&n控制電路是囫圇系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)中采納一片公司的epm7128設計實現(xiàn)控制電路，該器件具有在線調(diào)試的功能，因此給設計帶來了很大的便利。控制電路的原理框圖3所示。

控制電路主要由以下部分組成：規(guī)律控制電路、時鐘電路、三態(tài)緩沖電路、時序規(guī)律控制電路和地址發(fā)生器。規(guī)律控制電路接收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)絩am，還是由ram傳輸?shù)絬sb控制器；時鐘電路用來產(chǎn)生max122的時鐘信號clkin和轉換開頭信號convst，以及地址發(fā)生器的時鐘信號；時序規(guī)律電路調(diào)節(jié)相關信號之間的同步，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：控制電路接收到開頭采集信號時，控制三態(tài)緩沖電路的數(shù)據(jù)傳輸方向為a／d轉換器轉換的數(shù)據(jù)存入sram中，并且使時鐘電路產(chǎn)生a／d轉換器的轉換開頭信號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信號還必需通過時序規(guī)律控制電路調(diào)節(jié)使2個信號同步，convst信號在下一個時鐘信號（clkin）升高沿來到之前保持低電平起碼50ns，確保轉換時光為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?shù)刂钒l(fā)生器的計數(shù)器計數(shù)到1ffffh（128kb），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（設置為8051輔助功能位），當usb接收到中斷信號之后，在中斷服務程序中，舉行相應的讀處理。

sram的讀／寫是互相自立的，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)。當開頭采集數(shù)據(jù)時，對ram舉行寫操作，地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址信號清0，同時必需使能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轉換器的轉換時鐘相全都，每產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)，地址自動加1。當采集結束時，主機發(fā)出指令取出數(shù)據(jù)，對ram舉行讀操作，當?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控制器讀的周期相全都，每讀一個字節(jié)，地址自動加1。

4系統(tǒng)驅(qū)動程序設計

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用程序。

usb外設固件框架是由ez-usb軟件開發(fā)包中提供的，按照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，必需根據(jù)一定的挨次對寄存器舉行操作。

另外，還必需注重int0和int1中斷響應程序的處理。

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。用戶應用程序的開發(fā)就是基于通用驅(qū)動程序gpd的接口舉行的。用戶操作界面的應用程序用法vc＋＋6.0來實現(xiàn)，在應用程序中對ez-usb硬件舉行讀寫調(diào)用creatfile，closefile，r