基于USB的数据采集系统的硬件设计及实现

【 Abstract 】 As there are increasing demand for data acquisition equipment in modern industry field, the traditional method which is mainly based on data acquisition card has not adapted to the high requirement of modern data acquisition because of the low transmission speed, inconvenient installation, weak ability of anti- jamming and other problems. USB (Universal Serial Bus) has many advantages, such as high transmission speed, sustaining hot plug and few transmission lines. So the application of USB in data acquisition system can be the solution of the deficiency of traditional data acquisition system, and it will have widely application value. Aiming to the need of high speed data acquisition system, we design a data acquisition system based on USB in the paper. The design work of this system consists of
TMOD=0X20; //定时 /计数器 1 工作方式 2，自动装载方式 TH1=0Xfd; //预置寄存器 TL1=0Xfd; //计数器 *定时/计数器初始化 TR1=1; //允许定时器 T1 产生中断 REN=1; SCON=0x50;//串行口工作方式 2，11 位 UART，波特率固定 EA=1; //CPU 开中断 ES=1; //允许串行口中断 while(1) { if(flag==1) { flag=0; SBUF=a; //串口数据缓冲器赋值 while(!TI); TI=0; } } } 2． A/D 转换测试程序设计
图3
幅值为 5V 频率为 10Hz 方波经 A/D 转换后结果
3. 测试程序设计
测试程序设计包括串口测试程序设计[10,11]和 A/D 转换测试程序设计两部分。 1． 串口测试程序设计 串口测试成功是该采集系统能正常工作的必要条件，是保证 USB 设备能与 PC 机通信的基础。在该测试程序设计中，采用定时/计数器 T1 工作在方式 2 下， T1 产生中断，实现 PC 通过串口向单片机送一个数，单片机返回相同的数，通过 串口助手显示出来。 串口测试的程序部分代码如下： unsigned char flag, a; void main() {
基于 USB 的数据采集系统的硬件设 计及实现
测控技术与通信工程学院 指导教师 侯泽龙 刘卓夫
【摘 要 】
【关键词】
随着现代工业领域对数据采集的要求越来越高， 传统的以采用数据 采集卡为主的方法由于传输速度慢、安装麻烦、抗干扰能力差等很 多问题已难以适应如今数据采集的要求。通用串行总线 USB 具有 传输速度快、支持热插拔及传输线少等优点，因此将 USB 应用于 数据采集系统可以很好的解决传统数据采集系统的不足， 具有广泛 的应用价值。 本文针对高速数据采集系统的需要， 设计了基于 USB 的数据采集系统。 系统设计工作包括硬件设计和软件测试设计两部 分，硬件部分选用了 STC 公司的单片机 STC12C5410AD 作为微控 制器， 其内置有 8 路 10 位精度的 ADC， 可直接用来通过 A/D 转换 得到数字量数据，而无需外加 A/D 转换器。然后通过 PL2303 电平 转换实现单片机与 PC 机之间的 USB 数据通信使得单片机可作为 USB 设备被 PC 机识别，从而可以将采集的数据通过 USB 数据线 传输给 PC 机。本系统设计的主要工作难点是测试软件的设计及硬 件的调试。测试软件包括串口测试程序、A/D 采集程序，其都利用 KeilC 软件开发。硬件测试包括通信、采集、 A/D 转换及与 PC 机 的通信。PC 机上可通过串口测试程序显示出采集数据的十六进制 A/D 转换结果。本文最后通过对系统的测试，并且显示出了转换结 果。实践证明，本系统已初步取得成功，可以实现数据采集功能。 数据采集；USB；单片机；测试程序
据采集产品在设计上同样是五花八门，并且都存在这一些不足之处，需要不断地 改进和完善。基于以上背景，本文自行设计了基于 USB 的数据采集系统，实现 将采集的数据通过 USB 总线传输到 PC 机处理。
2. 系统构成
本实验利用 PC 平台，以 STC12C5410AD [4-6] 为数据采集和处理内核，以 LM358 为信号调理内核， PL2303 作为 USB 接口控制器，构成数据采集系统。 如图 1 所示。
hardware design and test software design. In hardware design, the STC12C5410AD chip manufactured by STC company is applied as microcontroller, which has been incorporated 8 ADCs that each has 10 bits resolution. So it can transfer analog data into digital data through the internal A/D converter and do not require external one. Meanwhile, the PL2303 voltage converter can realize the USB data communication between MCU and PC so that the MCU can be identified as USB slave device by the host PC, and the acquired data can be transmitted to PC by USB data wire. The main difficulty in the design work is the test software design and the hardware debug. The design of test software includes the design of serial test program and A/D test program, which are all developed under the development environment Keil C. The host PC can display the A/D results of the data through the serial test program. At the end of this paper, we test the system, and the A/D results are displayed on the PC. The practical work indicates that the design work of this system has received initial success, and the USB data acquisition function can be realized by the system. 【Keywords 】Data acquisition; USB; MCU; Test program
图1
数据采集系统பைடு நூலகம்物图
图2
串口测试程序下载后的界面
数据处采集及处理的单片机为宏晶公司的 STC12C5410AD 系列，内部已经
集成了 8 路 10 位精度的 ADC，因此就无需再外加 ADC 了，这样就从硬件上降 低了成本，但是硬件的简单必须以牺牲软件设计为代价。 设计中采用 PL2303 集成电平转换芯片作为 USB 控制器，实现采集系统与 PC 机之间的通信， 首先应该安装 PL2303 驱动， 在 PC 机上虚拟出一个 COM 口， [7-9] 使设备被识别 。 如图 2 所示为串口测试程序下载后的界面，从而可以实现 PC 机与采集系统 间的通信，这是采集系统可以正常工作的初步保证。接下来才可以进行数据采集 和 A/D 转换。 本设计采用以 LM358 集成放大器为核心构成信号调理电路，把由传感器输 出的 0~5V 模拟信号进行放大、隔离、滤波处理后，再由单片机进行 A/D 转换。 如图 3 所示为幅值为 5V、 频率为 10Hz 的方波信号经 A/D 转换后的十六进制 结果。
1. 前言
从 20 世纪 90 年代以来有很多串行总线问世 [1-3]， 其中最成功的便是 Compad， Hewlett-Packard ， Intel ， Lucent， Microsoft， NEC ，以及 Philips7 家公司于 1994 年推出的 USB(Universal Serial Bus) 通用串行总线协议，以及美国电气和电子工 程师协会 IEEE 推出的 IEEE1394 总线协议。IEEE1394 主要特点是高速，但它的 成本很高。所以目前 IEEE1394 只用于一些专用系统和打印机扫描仪等数据传输 速度要求高的设备， 而不能普遍用于诸如鼠标键盘等价格较低、速度要求也不高 的设备，确切地说 IEEE1394 只适用于高速的计算机外部设备。 USB 近年来开始在计算机外设中得到普及，并逐渐成为计算机标准外设， 它的出现使传统数据采集问题可以得到很好的解决。相对于传统的串行、并行接 口，USB 的优势在于：即插即用，支持热插拔，灵活方便；传输速度快，USB2.0 提供最高达 480Mbps 的传输率；最多可接 127 个设备；电源可从计算机或集线 器获得，不需要外加电源；通信稳定；成本低廉。USB 设备在 PC 领域的应用目 前已经非常普遍，如 USB 数码照相机、USB 摄像头、USB 打印机等；而考虑到 USB 的各种优势，基于 USB 总线的数据采集系统也正逐渐成为工控领域的应用 热点。目前国内外都已开发出了一些成熟的 USB 数据采集设备产品，可见基于 USB 的数据采集系统具有广阔的应用前景，本课题具有一定的现实意义。 目前市场上虽然有很多针对不同应用场合的 USB 数据采集产品，但对于一 些特殊的应用(特别是工业上的高速数据采集)，事实上还需要自行开发应用系 统。同时考虑到 USB 规范仍在不断完善，因此 USB 接口的相关产品也还需要不 断发展。 USB 数据采集的方案并不唯一， USB 控制芯片的选择、A/D 转换芯片的选 择等因素都会使设计的产品的性能有很大的差异。目前许多公司推出的 USB 数