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USB接口的数据采集系统设计

USB接口的数据采集系统设计

分类:接口电路论文   更新:2015/3/31   阅读:   作者:佚名   来源:本站原创

USB接口的数据采集系统设计

    .1 USB协议
    一般,每个USB设备由一个或多个配置控制其行为。使用多配置原因是对操作系统的支持;一个配置由接口组成;接口则是由管道组成;管道与USB设备的端点对应,一个端点可以配置为输入输出两个管道。在固件编程中,USB设备、配置、接口和管道都用描述符报告其属性。
    图1为USB多层次通信模型。端点0默认配置为控制管道,用来完成所规定的设备请求(USB协议第九章)。其它端点可配置为数据管道。对开发而言,主要的大数据传输都是通过数据管道完成的[2]。
    USB传输类型包括批量传输、等时传输、中断传输和控制传输,每种传输类型的传输速度、可靠性以及应用范围都不同[3]。控制传输可靠性是最高的,但速度最慢;等时传输速度快,满足实时性,但可靠性低。在具体应用中,端点传输类型可根据传输速度和可靠性选择。
    在USB通信协议中,主机取得绝对主动权利,设备只能是“听命令行事”,通过一定的命令格式(设备请求)完成通信。USB设备请求包括标准请求、厂商请求和设备类请求。设备的枚举是标准请求命令完成的;厂商请求是用户定义的请求;设备类请求是特定的USB设备类发出的请求,例如海量储存类、打印机类和HID(人机接口)类。固件编程中设备请求必须遵循一定的格式,包括请求类型、设备请求、值、索引和长度。
    1.2 USB接口芯片选择
    USB接口芯片的类型有:
    (1)按传输速度的高低:低速和全速可选USB1.1接口芯片,例如公司的和公司的系列;高速可选USB2.0接口芯片,例如Philips公司的ISP1581和Cypress公司的CY7C68013。
    (2)是否带MCU(微控制器):一般Philips公司的都不带MCU,Cypress公司大多都带,例如AN2131。
    (3)是否带主控器功能:不需要主机参与,主从设备间可进行数据传输,芯片有Philips公司的ISP1301和Cypress公司的SL811HS等。
    还有专门用途USB芯片,例如闪存专用芯片IC1114。工程中用户可根据自己的需求选择一款性价比高的芯片。另外可用开发资源也是要考虑的重要方面,例如开发板和芯片厂商提供的网上资源,可大大降低开发的难度。
    2 基于USB接口的数据采集系统的设计
    2.1 系统简介
    该系统能够实现16路温度数据自动采集,系统的组成框图如图2所示。主要包括8个组成部分:中央处理器选用AT89C52芯片,完成各部分控制功能和USB传输协议;实时时钟记录当前测量温度的时间;温度传感器和接口电路主要完成温度采集,并读入MCU处理;复位电路完成对MCU的上电复位和电源电压监视;看门狗电路用来监视MCU是否工作;存储电路主要存储采集到的温度数据以及采集的实时时间;电源电路主要为各部分提供要求的电源;外设与主机间的通信电路采用USB接口。
    2.2 接口芯片选择
    接口电路采用Philips公司的PDIUSBD12[4](以下简称为D12)芯片。主要因为D12芯片信息、开发资源丰富,具有较高的性价比。
    D12芯片的主要特点包括:
    ·符合USB1.1版本规范;
    ·可与任何外部微控制器/微处理器实现高速并行接口(2MB/s);
    ·采用GoodLink技术的连接指示器,在通信时使LED闪烁;
    ·主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输;
    ·在批量和等时模式下均可实现1MB/s的数据传输率;
    ·完全自治的直接内存存取DMA操作。
    2.3 接口硬件设计
    由D12接口组成的通信电路原理如图3所示。关于D12的各引脚说明见参考文献[4]。多路地址/数据总线ALE接单片机的ALE脚,这样使用MOVX指令可以与D12接口,对D12操作就象对RAM操作一样,此时忽略A0(命令口和数据口地址线)的输入。因为没有使用DMA传输方式,所以没有用到DMACK_N、 EOT_N和DMREQ_N DMA引脚。INT_N是USB中断请求脚,发出USB中断请求;GL_N是GoodLink指示灯,在调试过程中非常有用,在通信时会不停闪烁。如果一直亮或者一直暗,表示USB接口有问题,如果D12挂起,则LED关闭。CLKOUT是D12的时钟输出,可以通过固件编程改变其频率,在调试固件时,可作为参考。
    2.4 接口程序设计
    USB接口程序设计是USB开发的核心。USB接口程序设计包括三部分:单片机程序开发、USB设备驱动程序开发、主机应用程序开发。三者互相配合,才能完成可靠、快速的数据传输。
    2.4.1 单片机程序设计
    单片机程序(又称固件)采用模块化程序设计,主要模块包括:数据采集模块、数据处理、监控模块和数据通信模块。模块化设计的优点是可靠性高、可读性好、升级简单。
    通信模块固件结构如图4所示。主循环和中断服务程序之间的数据交换可通过事件标志和数据缓冲实现。图3中USB中断引脚INT_N发出中断请求,中断服务程序根据中断请求类型操作,设置事件和填充数据缓冲区再传输给主循环;标准设备请求程序是对标准请求进行处理;用户可以根据实际需要编写厂商请求,例如发出启动或停止数据采集命令。

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