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基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：以自行開發(fā)的基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，介紹了USB接口的硬件和軟件開發(fā)過程。１ ＵＳＢ協(xié)議和芯片選擇
理解好ＵＳＢ協(xié)議是ＵＳＢ系統(tǒng)開發(fā)的第一步。ＵＳＢ協(xié)議版本包括１.０、１.1和２.０，ＵＳＢ ＯＴＧ是對２.０版本協(xié)議的補(bǔ)充。雖然ＵＳＢ協(xié)議內(nèi)容繁多且復(fù)雜，然而，對ＵＳＢ開發(fā)影響較大的卻只是少數(shù)部分，以下對協(xié)議版本１.１[１]中這些部分進(jìn)行介紹。
１.１ ＵＳＢ協(xié)議
一般，每個(gè)ＵＳＢ設(shè)備由一個(gè)或多個(gè)配置（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）控制其行為。使用多配置原因是對操作系統(tǒng)的支持；一個(gè)配置由接口（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）組成；接口則是由管道（Ｐｉｐｅ）組成；管道與ＵＳＢ設(shè)備的端點(diǎn)（Ｅｎｄｐｏｉｎｔ）對應(yīng)，一個(gè)端點(diǎn)可以配置為輸入輸出兩個(gè)管道。在固件編程中，ＵＳＢ設(shè)備、配置、接口和管道都用描述符報(bào)告其屬性。
圖１為ＵＳＢ多層次通信模型。端點(diǎn)０默認(rèn)配置為控制管道，用來完成所規(guī)定的設(shè)備請求(ＵＳＢ協(xié)議第九章)。其它端點(diǎn)可配置為數(shù)據(jù)管道。對開發(fā)而言，主要的大數(shù)據(jù)傳輸都是通過數(shù)據(jù)管道完成的[２]。
ＵＳＢ傳輸類型包括批量傳輸、等時(shí)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(yīng)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(shí)傳輸速度快，滿足實(shí)時(shí)性，但可靠性低。在具體應(yīng)用中，端點(diǎn)傳輸類型可根據(jù)傳輸速度和可靠性選擇。
在ＵＳＢ通信協(xié)議中，主機(jī)取得絕對主動(dòng)權(quán)利，設(shè)備只能是“聽命令行事”，通過一定的命令格式（設(shè)備請求）完成通信。ＵＳＢ設(shè)備請求包括標(biāo)準(zhǔn)請求、廠商請求和設(shè)備類請求。設(shè)備的枚舉是標(biāo)準(zhǔn)請求命令完成的；廠商請求是用戶定義的請求；設(shè)備類請求是特定的ＵＳＢ設(shè)備類發(fā)出的請求，例如海量儲(chǔ)存類、打印機(jī)類和ＨＩＤ（人機(jī)接口）類。固件編程中設(shè)備請求必須遵循一定的格式，包括請求類型、設(shè)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(jī)參與，主從設(shè)備間可進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jù)自己的需求選擇一款性價(jià)比高的芯片。另外可用開發(fā)資源也是要考慮的重要方面，例如開發(fā)板和芯片廠商提供的網(wǎng)上資源，可大大降低開發(fā)的難度。
２ 基于ＵＳＢ接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
２.１ 系統(tǒng)簡介
該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)１６路溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，系統(tǒng)的組成框圖如圖２所示。主要包括８個(gè)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(xié)議；實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄當(dāng)前測量溫度的時(shí)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(fù)位電路完成對ＭＣＵ的上電復(fù)位和電源電壓監(jiān)視；看門狗電路用來監(jiān)視ＭＣＵ是否工作；存儲(chǔ)電路主要存儲(chǔ)采集到的溫度數(shù)據(jù)以及采集的實(shí)時(shí)時(shí)間；電源電路主要為各部分提供要求的電源；外設(shè)與主機(jī)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?yàn)椋模保残酒畔ⅰ㈤_發(fā)資源豐富，具有較高的性價(jià)比。
Ｄ１２芯片的主要特點(diǎn)包括：
·符合ＵＳＢ１．１版本規(guī)范；
·可與任何外部微控制器／微處理器實(shí)現(xiàn)高速并行接口(２ＭＢ／ｓ)；
·采用ＧｏｏｄＬｉｎｋ技術(shù)的連接指示器，在通信時(shí)使ＬＥＤ閃爍；
·主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；
·在批量和等時(shí)模式下均可實(shí)現(xiàn)１ＭＢ／ｓ的數(shù)據(jù)傳輸率；
·完全自治的直接內(nèi)存存取ＤＭＡ操作。
２．３ 接口硬件設(shè)計(jì)
由Ｄ１２接口組成的通信電路原理如圖３所示。關(guān)于Ｄ１２的各引腳說明見參考文獻(xiàn)[４]。多路地址／數(shù)據(jù)總線ＡＬＥ接單片機(jī)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(shí)忽略Ａ０（命令口和數(shù)據(jù)口地址線）的輸入。因?yàn)闆]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(fā)出ＵＳＢ中斷請求；ＧＬ＿Ｎ是ＧｏｏｄＬｉｎｋ指示燈，在調(diào)試過程中非常有用，在通信時(shí)會(huì)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(guān)閉。ＣＬＫＯＵＴ是Ｄ１２的時(shí)鐘輸出，可以通過固件編程改變其頻率，在調(diào)試固件時(shí)，可作為參考。
２．４ 接口程序設(shè)計(jì)
ＵＳＢ接口程序設(shè)計(jì)是ＵＳＢ開發(fā)的核心。ＵＳＢ接口程序設(shè)計(jì)包括三部分：單片機(jī)程序開發(fā)、ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、主機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)。三者互相配合，才能完成可靠、快速的數(shù)據(jù)傳輸。
２．４．１ 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
單片機(jī)程序（又稱固件）采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要模塊包括：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、可讀性好、升級(jí)簡單。
通信模塊固件結(jié)構(gòu)如圖４所示。主
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