基于USB的数据采集系统的设计与研究

基于ＵＳＢ的数据采集系统的设计与研究

贾宝金，王宝珠，李晓玲（河北工业大学信息工程学院天津３００４０１）

摘要：为了解决现有数据采集板卡安装麻烦、通用性和可移植性差等问题，开发了基于ＵＳＢ的数据采集系统。介绍ＵＳＢ２．０芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３的结构和特点，开发了基于ＣＹ７Ｃ６８０１３的硬件设备，并结合ＡＤ芯片ＡＤＣ０８０４实现了高速数据采集。详细论述了该系统的总体结构、部分硬件和软件的设计，给出了固件程序和客户应用程序流程图。随着时代的进步，技术的发展，ＵＳＢ豳将在更广阔的领域得到更深层次的运用。关键词：ＣＹ７Ｃ６８０１３；ＡＤＣ０８０４｝数据采集；固件程序中图分类号：ＴＰ２７４文献标识码：Ａ文章编号：１００４—３７３Ｘ（２００７）２４—１８７—０４

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｔｕｄｙｏｆＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＵＳＢＪＩＡＢａｏｊｉｎ，ＷＡＮＧＢａｏｚｈｕ，ＬＩＸｉａｏｌｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３００４０１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔＯｓｏｌｖｅｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｂｏａｒｄｃａｒｄｉｎｓｔａｌｌｍｅｎｔｔｒｏｕｂｌｅ，ｔｈｅｖｅｒｓａｔｉｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｉｎｆｅｒｉｏｒｑｕｅｓｔｉｏｎ．ｔｈｉｓｐａｐｅｒｈａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｔｈｅＵＳＢ．ＩｎｔｒｏｄｕｃｅｄＵＳＢ２，０ｔｈｅｃｈｉｐＣＹ７Ｃ６８０１３ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｈａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｈａｒｄｗａｒｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｂａｓｅｄｔｈｅＣＹ７Ｃ６８０１３，ｗｈｉｃｈｕｎｉｆｉｅｄＡＤｃｈｉｐＡＤＣ０８０４ｔｏｒｅａｌｉｚｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｄａｔａｇａｔｈｅｒｉｎｇ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅｔｈｅｐａｐｅｒｅｌａｂｏｒａｔｅｄｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｐａｒｔｉａｌｈａｒｄ—ｗａｒｅａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ，ｇａｖｅｔｈｅｆｉｒｍｗａｒｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅａｎｄｔｈｅｃｕｓｔｏｍｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｒｔ．Ａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ＵＳＢｗｉｌｌｃｅｒｔａｉｎｌｙｔＯｏｂｔａｉｎｔｈｅｄｅｅｐｅｒｌｅｖｅｌｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｂｒｏａｄｅｒｄｏｍａｉｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ．．ＣＹ７Ｃ６８０１３；ＡＤＣ０８０４；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ｝ｆｉｒｍｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍ

１引言

数据采集作为获取信息的手段，越来越多的应用在各种工业系统中。目前数据采集系统多以ＰＣＩ，ＩＳＡ或ＥＰＰ／ＥＣＰ等完成数据的传输，这些方式开发调试比较困难，安装不便，通用性和可移植性差；而且ＰＣ上的插槽数量、地址、中断资源的有限导致这些方式的可扩展性差［１］。目前广泛应用的ＵＳＢ总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，ＵＳＢ２．０的传输速率可达到４８０Ｍｂ／ｓ，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势之一［２］。

２ＥＺ—ＵＳＢＦＸ２以及ＣＹ７Ｃ６８０１３的特点

本文选择Ｃｙｐｒｅｓｓ公司ＵＳＢ接口芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３（５６一ｐｉｎ），该芯片属于ＥＺ—ＵＳＢＦＸ２系列。ＣｙｐｒｅｓｓＥＺ—ＵＳＢＦＸ２是世界上第一款ＵＳＢ２．０集成微控制器［３］。其在１个芯片上集成了ＵＳＢ收发器（ＵＳＢＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ），串行接口引擎（ＳｅｒｉａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅＥｎｇｉｎｅ，ＳＩＥ），ＣＰＵ（增强型８０５１微控制器）和一个通用可编程ＧＰＩＦ接口（ＧｅｎｅｒａｌＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＧＰＩＦ）。集成的ＵＳＢ收发器通过ＵＳＢ电缆的Ｄ＋

收藕日期：２００７一０６一０７和Ｄ一线连接到主机，串行接口引擎（ｓＩＥ）进行数据的编码和解码、完成错误校验、位填充和其他ＵＳＢ需要的信号级任务。最终，ＳＩＥ传输来自或将要到达ＵＳＢ接口的数据。ＦＸ２的ＳＩＥ可以在全速（１２Ｍｂ／ｓ）和高速（４８０Ｍｂ／ｓ）两种速率下运行。为了适应ＵＳＢ２．０增加的带宽，ＦＸ２端点ＦＩＦＯ（ＦｉｒｓｔＩｎＦｉｒｓｔＯｕｔ）和ＳｌａｖｅＦⅢｏ（同外部逻辑或处理器连接的缓冲区）组合在一起，这样可以节省内部数据之间的传送所消耗的时间。ＣＰＵ是具有快速的执行时间和更多特点的增强型８０５１，他把内部ＲＡＭ用作程序和数据存储。ＣＹ７Ｃ６８０１３有以下主要特征：（１）软件。８０５１从下载到内部ＲＡＭ的程序开始运行，这个特征允许固件程序通过主机下载到芯片内部ＲＡＭ中，从而方便了调试和固件的改写。（２）四个可编程。ＢＵＬＫ／ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ／ＩＳＯＣＨＲＯ—ＮｏＵＳ端点，可以是双缓冲区，三缓冲区或者四缓冲区，这样可以根据外部数据的速率调整缓冲区的宽度和深度，以适应不同的需要。（３）ＧＰＩＦ。允许直接连接到大多数并行接口：８位和１６位；由可编程波形述符和配置寄存器来定义波形；支持多个Ｒｅａｄｙ（ＲＤＹ）输入和Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＣＴＬ）输出。１

８７　万

方数据贾宝金等：基于ＵＳＢ的数据采集系统的设计与研究

（４）３．３Ｖ。电压供电，减小了控制器的功耗。

３数据采集系统的硬件设计

本系统主要由模数部分、通信部分和电源转换３个部分组成。整个数据采集系统完成对信号的采集、传输和存储。图１为本采集系统结构框图。

图１数据采集系统结构框主要工作流程：经过调理的模拟信号经过模／数转换器（ＡＤＣ０８０４）转换为数字信号；ＵＳＢ２．０控制器负责把ＡＤＣ转换后得到的数据读取到其内部ＦＩＦＯ缓冲区，由程序判断ＡＤＣ的转换结束；中断信号决定ＡＤＣ上‘的数据是否有效。ＰＣ的用户应用程序发出接收数据的请求，并由设备发出相应的响应决定是否开始传输数据。当系统上电后，系统自动识别设备后加载驱动程序，ＵＳＢ控制器的固件程序通过ＵＳＢ电缆从主机自动下载到其内部程序ＲＡＭ中，并经过列举和重列举后开始正常工作，计算机可以通过用户软件取得系统的各种配置信息。，ＵＳＢ控制器以ＧＰＩＦ（通用可编程接口）Ｍａｓｔｅｒ模式控制数据采集和读取，并通过ＣＹ７Ｃ６８０１３ＧＰＩＦ的“波形图”控制ＡＤＣ的采集和读取数据的时序。３。１ＵＳＢ控制器外围电路设计ＵＳＢ控制器及其外围电路组成了系统的数据读取和传输模块，这部分主要负责读取和传输ＡＤＣ转换后的数据，并负责与ＰＣ机的通信，从而完成这个系统的功能。由于ＣＹ７Ｃ６８０１３把多重功能都集成到一个片子上，所以外部电路显得不是很复杂，与一般的电路比较，减少了电路复杂的外部数据线和信号线的连接，有利于提高整个系统的可靠性ｎ］。ＵＳＢ控制器部分外围电路原理图如图２所示。

１８８图２ＵＳＢ外围电路图ＣＹ７Ｃ６８０１３用自己的片内晶振电路和一个外部２４ＭＨｚ晶振组成系统的时钟电路。他有一个片内锁相环（ＰＬＬ’电路，衬厢ＰＬＬ可以靶Ｚ４ＭＨｚ振荡器频率倍频至４８０ＭＨｚ供收发器使用。内部计数器把２４ＭＨｚ的频率分频为内部８０５１需要的默认的１２ＭＨｚ的时钟频率。ＸＴＡＬＩＮ和ＸＴＡＬ０ＵＴ分别为晶振的输人和输出引脚，分别与晶振相连，同时，晶振的两个引脚分别通过一个２０～３３ｐＦ的负载电容接地。ＤＭＩＮＵＳ和ＤＰＬＵＳ为ＵＳＢ的Ｄ＋，Ｄ一信号线，分别和ＵＳＢ连接器的相应引脚相接。ＵＳＢ连接器上的ＶＢＵＳ和ＧＮＤ为总线电源线，整个系统的所需要的各种电压都是通过该电源转换而得到。ＳＣ！。和ＳＤＡ分别为１２Ｃ总线的时钟线和数据线，在本设计中，系统的固件程序采取从主机下载的方法。因此，这里无需连接外部Ｅ２ＰＲＯＭ，这两个引脚要分别通过一个２．２Ｑ的电阻连接到电源引脚ＶＣＣ上。ＲＥＳＥＲＶＥＤ引脚为芯片韵保留弓｛脚，通过一个２．２Ｑ接地。ＲＥＳＥＴ引脚为芯片的复位引脚。该引脚有一个滞后作用并且低电平有效。因为内部锁相环在ＶＣＣ升至３．３Ｖ后大约２００弘ｓ保持稳定，所以，ＲＥＳＥＴ引脚所连接的外部ＲＣ网络要取适当的值来满足这个需要，典型的取值为：Ｒ一１００ｋｉｌ，Ｃ一０．１ｐＦ。ＷＡＫＥＵＰ为唤醒引脚，在８０５１和芯片的其他部分为低功耗状态时，ＵＳＢ，系统挂起，ＰＬＬ和晶振停止工作，当外部逻辑触发ＷＡＫＥＵＰ，晶振重新工作之后，ＰＬＬ趋于稳定，同时，８０５１也会收到一个唤醒中断。ＲＤＹ０，ＣＴＬ０，ＣＴＬｌ引脚分别和对应ＡＤＣ及其外围电路的接口相连，ＦＤＥｌ５：ｏ］分别和ＡＤＣ的对应数据线连接。３．２Ａ／Ｄ采样通道设计本文采用的是ＣＹ７Ｃ６８０１３的ＧＰＩＦ工作模式，因此直接利用了ＧＰＩＦ的１６位并行接口，这样每次可以按字（２个８位）读取数据。考虑到ＡＤＣ０８０４的廉价，并且省去了连接多路选择器和其相关的控制接口电路等因素，提高系统的可靠性，利用２片ＡＤＣ０８０４同时与ＧＰＩＦ接口相连接，避免了利用多路开关时的所需的转换时间口］。在程序部分，也省去了选择模拟信号通道部分。３．３电源电路设计在本设计中，需要３种大小不同的供电电源，除了ＡＤＣ０８０４需要的＋５Ｖ供电电源外，还有ＣＹ７Ｃ６８０１３需要的＋３．３Ｖ的供电电源，模数转换器ＡＤＣ０８０４需要的＋２．５Ｖ的基准电压电７源。由于整个系统可以使用总线电源供电，不需要外加电源，因此需要把＋５Ｖ的总线电源转换为系统各个部分所需的电源。＋３．３Ｖ电源是ＣＹ７Ｃ６８０１３所需芯片供电电压。设计中，选用的是ＭＡＸＩＭ公司的电源转换芯片ＭＡＸ８８２Ｈ］，连接电路如图３所示。模／数转换器需要外部提供基准电压，ＡＤＣ０８０４需要＋２．５

Ｖ电压，而且基准电压是否稳定、精　万

方数据雠电壬撞苤》至ＱＱＺ笙差墨垒盈总装圣．§兰期一．Ｌ一．一．．。．＝．．：．确，直接影响数据转换的精度。而ＮａｔｉｏｎａｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的ＬＭ３３６—２．５Ｖ是一个能提供精确＋２．５Ｖ电压的器件，他的集成电路是精确的２．５Ｖ并联推挽稳压二极管组成，还有一个用来调节温度对电压影响的引脚ＡＤＪ。芯片所产生的２．５Ｖ的电压可以很方便的从５Ｖ电压系统中获得卟Ｊ。

弓。图３＋３．３Ｖ电源转换电路ｏＩ

４数据采集系统的软件设计

该数据采集系统的软件系统主要由３部分组成：ＵＳＢ固件程序（Ｆｉｒｍｗａｒｅ）、ＵＳＢ设备驱动程序以及客户应用程序。３部分程序之间相互协作来完成整个采集卡的功能。４．１回件程序设计固件程序是指运行在设备ＣＰＵ中的程序。只有在该程序运行时，外设才能称之为具有给定功能的外部设备。固件程序负责初始化各硬件单元，重新配置设备及Ａ／Ｄ采样控制。固件代码的存储位置有３种：第一种是存在主机中，设备加电后由驱动程序把固件下载到片内ＲＡＭ后执行，即“重新枚举”；第二种方法是把固件代码固化到一片皆ＰＲＡＭ中，外设加电后由ＦＸ２通过１２Ｃ总线下载到片内ＲＡＭ后自动执行；最后一种方法是把程序固化到一片ＲＯＭ中，使之充当外部程序存储器，连在ＦＸ２三总线上。本文选用第一种方式，这种方式便于系统的调试和升级。Ｃｙｐｒｅｓｓ公司为ＣＹ７Ｃ６８０１３提供了一个开发框架，可以在ＫＥＩＬＣ５１环境下开发。由于开发框架的引入，大大缩短了用户的研发周期。该框架由以下几部分组成：（１）ＦＷ．Ｃ中包含了程序框架的ＭＡＩＮ函数，管理整个５１内核的运行，因为Ｃｙｐｒｅｓｓ对这个部分的功能进行了精心划分，一般是不用改动的。（２）用户必须将ＰＥＲＩＰＨ．Ｃ实例化，他负责系统周边器件的互联。固件的设计主要针对这个文件，用户必须根据自己系统的需要，实例化这个文件，以实现自己的功能。在这个文件中有几个函数是比较关键的，在这里做特别说明：ＴＤＩｎｉｔ函数，负责对ＵＳＢ端点进行初始化设置。本设计中将端点６设置为１０２４个字节，缓存深度为４级，模式设为自动输入方式。ＴＤＰｏｌｌ函数，负责系统中循环任务的处理。他主要是对各个端点的状态进行查询，处理各种ＯＵＴ或ＩＮ端点的交互。值得说明的一点是，这种处理只是辅助性质的，大部分工作由硬件自动完成。ＧＰＩＦＩＮＩＴ．Ｃ，其中只有一个Ｇｐｉｆｌｎｉｔ函数Ｉ他是ＧＰＩＦ模块的初始化函数，一般在ＴＤＩｎｉｔ函数中调用。这个函数是由Ｃｙｐｒｅｓｓ公司提供的一个ＧＰＩＦＤｅｓｉｇｎｅｒ开发工具根据用户设计的波形生成的，用户不需要自己设计波形查询表，减轻了设计者的工作强度。ＤＳＣＲ．Ａ５１是描述表文件，负责ＵＳＢ设备的描述工作，ＣＹ７Ｃ６８０１３在上电后自动利用其中的ＶＩＤ和ＰＩＤ取代默认的ＶＩＤ和ＰＩＤ。