基于USB接口的數據采集系統設計
摘要：以自行開發的基于USB接口的數據采集系統為例，介紹了USB接口的硬件和軟件開發過程。１ ＵＳＢ協議和芯片選擇
理解好ＵＳＢ協議是ＵＳＢ系統開發的第一步。ＵＳＢ協議版本包括１.０、１.1和２.０，ＵＳＢ ＯＴＧ是對２.０版本協議的補充。雖然ＵＳＢ協議內容繁多且復雜，然而，對ＵＳＢ開發影響較大的卻只是少數部分，以下對協議版本１.１[１]中這些部分進行介紹。
１.１ ＵＳＢ協議
一般，每個ＵＳＢ設備由一個或多個配置（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）控制其行為。使用多配置原因是對操作系統的支持；一個配置由接口（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）組成；接口則是由管道（Ｐｉｐｅ）組成；管道與ＵＳＢ設備的端點（Ｅｎｄｐｏｉｎｔ）對應，一個端點可以配置為輸入輸出兩個管道。在固件編程中，ＵＳＢ設備、配置、接口和管道都用描述符報告其屬性。
圖１為ＵＳＢ多層次通信模型。端點０默認配置為控制管道，用來完成所規定的設備請求(ＵＳＢ協議第九章)。其它端點可配置為數據管道。對開發而言，主要的大數據傳輸都是通過數據管道完成的[２]。
ＵＳＢ傳輸類型包括批量傳輸、等時傳輸、中斷傳輸和控制傳輸，每種傳輸類型的傳輸速度、可靠性以及應用范圍都不同[３]。控制傳輸可靠性是最高的，但速度最慢；等時傳輸速度快，滿足實時性，但可靠性低。在具體應用中，端點傳輸類型可根據傳輸速度和可靠性選擇。
在ＵＳＢ通信協議中，主機取得絕對主動權利，設備只能是“聽命令行事”，通過一定的命令格式（設備請求）完成通信。ＵＳＢ設備請求包括標準請求、廠商請求和設備類請求。設備的枚舉是標準請求命令完成的；廠商請求是用戶定義的請求；設備類請求是特定的ＵＳＢ設備類發出的請求，例如海量儲存類、打印機類和ＨＩＤ（人機接口）類。固件編程中設備請求必須遵循一定的格式，包括請求類型、設備請求、值、索引和長度。
１．２ ＵＳＢ接口芯片選擇
ＵＳＢ接口芯片的類型有：
（１）按傳輸速度的高低：低速（１．５Ｍｂｐｓ）和全速(１２Ｍｂｐｓ)可選ＵＳＢ１．１接口芯片，例如Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＰＤＩＵＳＢＤ１２和Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＥＺ－ＵＳＢ２１００系列；高速（４８０Ｍｂｐｓ）可選ＵＳＢ２．０接口芯片，例如Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＩＳＰ１５８１和Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＣＹ７Ｃ６８０１３。
（２）是否帶ＭＣＵ（微控制器）：一般Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的都不帶ＭＣＵ，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司大多都帶，例如ＡＮ２１３１。
（３）是否帶主控器功能：不需要主機參與，主從設備間可進行數據傳輸，芯片有Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＩＳＰ１３０１和Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的ＳＬ８１１ＨＳ等。
還有專門用途ＵＳＢ芯片，例如閃存專用芯片ＩＣ１１１４。工程中用戶可根據自己的需求選擇一款性價比高的芯片。另外可用開發資源也是要考慮的重要方面，例如開發板和芯片廠商提供的網上資源，可大大降低開發的難度。
２ 基于ＵＳＢ接口的數據采集系統的設計
２.１ 系統簡介
該系統能夠實現１６路溫度數據自動采集，系統的組成框圖如圖２所示。主要包括８個組成部分：中央處理器選用ＡＴ８９Ｃ５２芯片，完成各部分控制功能和ＵＳＢ傳輸協議；實時時鐘記錄當前測量溫度的時間；溫度傳感器和接口電路主要完成溫度采集，并讀入ＭＣＵ處理；復位電路完成對ＭＣＵ的上電復位和電源電壓監視；看門狗電路用來監視ＭＣＵ是否工作；存儲電路主要存儲采集到的溫度數據以及采集的實時時間；電源電路主要為各部分提供要求的電源；外設與主機間的通信電路采用ＵＳＢ接口。
２.２ 接口芯片選擇
接口電路采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＰＤＩＵＳＢＤ１２[４]（以下簡稱為Ｄ１２）芯片。主要因為Ｄ１２芯片信息、開發資源豐富，具有較高的性價比。
Ｄ１２芯片的主要特點包括：
·符合ＵＳＢ１．１版本規范；
·可與任何外部微控制器／微處理器實現高速并行接口(２ＭＢ／ｓ)；
·采用ＧｏｏｄＬｉｎｋ技術的連接指示器，在通信時使ＬＥＤ閃爍；
·主端點的雙緩沖配置增加了數據吞吐量并輕松實現實時數據傳輸；
·在批量和等時模式下均可實現１ＭＢ／ｓ的數據傳輸率；
·完全自治的直接內存存取ＤＭＡ操作。
２．３ 接口硬件設計
由Ｄ１２接口組成的通信電路原理如圖３所示。關于Ｄ１２的各引腳說明見參考文獻[４]。多路地址／數據總線ＡＬＥ接單片機的ＡＬＥ腳，這樣使用ＭＯＶＸ指令可以與Ｄ１２接口，對Ｄ１２操作就象對ＲＡＭ操作一樣，此時忽略Ａ０（命令口和數據口地址線）的輸入。因為沒有使用ＤＭＡ傳輸方式，所以沒有用到ＤＭＡＣＫ＿Ｎ、 ＥＯＴ＿Ｎ和ＤＭＲＥＱ＿Ｎ ＤＭＡ引腳。ＩＮＴ＿Ｎ是ＵＳＢ中斷請求腳，發出ＵＳＢ中斷請求；ＧＬ＿Ｎ是ＧｏｏｄＬｉｎｋ指示燈，在調試過程中非常有用，在通信時會不停閃爍。如果一直亮或者一直暗，表示ＵＳＢ接口有問題，如果Ｄ１２掛起，則ＬＥＤ關閉。ＣＬＫＯＵＴ是Ｄ１２的時鐘輸出，可以通過固件編程改變其頻率，在調試固件時，可作為參考。
２．４ 接口程序設計
ＵＳＢ接口程序設計是ＵＳＢ開發的核心。ＵＳＢ接口程序設計包括三部分：單片機程序開發、ＵＳＢ設備驅動程序開發、主機應用程序開發。三者互相配合，才能完成可靠、快速的數據傳輸。
２．４．１ 單片機程序設計
單片機程序（又稱固件）采用模塊化程序設計，主要模塊包括：數據采集模塊、數據處理、監控模塊和數據通信模塊。模塊化設計的優點是可靠性高、可讀性好、升級簡單。
通信模塊固件結構如圖４所示。主
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