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1、数据采集系统USB接口的实现数据采集系统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范，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
2、序、设备驱动程序以及主机应用程序三部分组成。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。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Realize of Data Acquisition System Based on USBStudent majoring in Automation XXXTutor XXXAbstract：USB Universal Serial Bus is a new type of computer interface specification. With customers on the system data acq
3、uisition speed requirements continue to increase, more and more USB was used in data acquisition systems with its easy to expand, fast, easy to use, etc. This paper discussed a USB-based data bus acquisition system design approach, through the USB protocol and device architecture fully understanding
4、, AT89C52 micro controller and USB interface chip CH372 as the core of the data acquisition system hardware design, and the corresponding circuit diagram on the basis of this design. The hardware design is mainly to solve the problem of the interface circuit CH372, TLC549 and TLC5620 communicated wi
5、th micro controller; USB software was designed by the USB device firmware, device drivers, and the host application consists of three parts聞創沟燴鐺險爱氇谴净。The system has the advantage of USB bus to install, easy to use, full-featured, etc.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。Key words：USB bus；Data collection；MCU1 绪论1.1 课题背景和研究意义在
6、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内和国外已被广泛应用，如工业控制中现场数据采集设备；视频电话，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56个，所以最多也只能有56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
7、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：酽锕极額閉镇桧猪訣锥。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
8、外围设备，可以有效的解决I/O口数目不够用的问题。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。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。1.2 USB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
9、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。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。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，如移动电话、MP3播放器、MP4、MP5等。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。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
10、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。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。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USB OTG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应用的范围大大扩展。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1.3 国内外现状国外公司纷纷推出了很多以适应
11、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。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。近年来，国内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协议规范，数据传输速度远低于基于USB2.0协议规范数据采集卡，因此限
12、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规范是更复杂的，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。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。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，目前国内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
13、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协议规范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。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1.4 本设计研究的主要内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。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。2 硬
14、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内置双重固件模式，内置了USB通讯中的底层协议，所以接口芯片采用CH372。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。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A
15、T89C51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：片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，擦写寿命可达到1000次；片内数据存储器内含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5V5。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。CH372具有灵活省事的内置和外置两种双重固件模式，内置了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
16、单片机根据需要自行处理，从而实现符合各种USB类规范的设备。在内置固件模式下，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。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。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。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.2 A/D转换和D/A转换2.2.1 TLC549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
