USB与单片机数据采集

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1、基于单片机和USB接 口的数据采集系统设计在工业生产和科学技术研究中，常利用PC或工控机对各种数据进行采集，以获得所需要的控制信息和 实验数据。传统的数据采集系统多以ISA，EISA或PCI插卡的形式完成数据传输，这种方式存在安装麻烦，受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差等缺点。由于通用串行总线(Universal Serial Bus .USB) 具有自动被系统识别自动安装驱动程序、自行进行系统配置，以及支持不同速率的同步和异步传输方式， 支持热插拔和即插即用(Plug and Play，PNP等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。目前实现USB数据传送多采用专用的 USB接

2、口芯片，文献采用的 PDIUSBDI2可支持USBl. 1协议，文献E37采用的接口 芯片为USBIOO也仅支持USBl. 1协议，文献采用 CP2102符合USB2 0协议，其通用的驱动程序可将设备 作为虚拟的COM端口设备进行操作，文献采用Philips 公司ISPI581芯片作为USB2 0的接VI芯片。这里采用Cypress公司的CY7C68013作为USB接口芯片，设计实现了基于单片机和 USB2 0的数据采集系统。 该系统可实现单通道模拟信号的采集，主机应用程序负责启动和停止采样，采样间隔时间由主机应用程序 设置调整，采样数据传给主机应用程序显示并保存。1系统硬件设计1 . 1系统

3、硬件组成整个系统的硬件结构如图1所示。AT89C52为主控单片机，负责控制 A/D转换、上传采集数据、接收并执行主机的命令。CY7C68013为USB接口芯片。A/D转换芯片采用TI公司生产的TLC549, AD780是一款 高精度参考电压芯片，可为 TLC549提供2 . 5 V或 者3 . 0 V的参考电压。系统+5 V电源由主机的USB接 口提供，CY7C68013所需的电源为+3 . 3 V，由+5 v电源接稳压芯片 APlll7提供，图中没有画出。图！系统的硬件连接图1 . 2 TLC549TLC549是以8位开关电容逐次逼近 A/D转换器为基础而构造的 CMOS AD转换器，将其设

4、计成能通 过三态输出与微处理器或外围设备串行接VI。TLC549用输入/输出时钟(I /O CLOCK和芯片选择(CS)输入作数据控制，转换结果由DATAOUTI脚输出。I /o CLOCK端的最高频率可达1. 1 MHzTLC 549片内系统时钟工作在4 MHz(不需要外部时钟)。片内系统时钟使内部器件的操作独立于串行输入/输出时序并允 许TLC549像许多软件和硬件所要求的那样工作。I / O CLOCK和内部系统时钟可以实现高速数据传送，使得TLc549可实现40 kHz的采样频率。TLC549具有通用控制逻辑及自动工作或在微处理器控制下工作的片 内采样/保持电路，差分高阻抗基准电压输入

5、端，易于实现比例转换的高速转换器，定标及隔离电路。整 个开关电容逐次逼近转换器电路的设计允许在小于17 口 s的时间内，以最大误差土 0. 5为最低有效位的精度实现转换。1. 3 CY7(368013及其固件程序E USB FX2系列芯片CY7C68013是业界第一个支持 USB2 0,同时向下兼容 USBI. 1规范的单片机， 为描述方便以下简称该芯片为FX2o FX2支持全速传输(12 Mt/ s)和高速传输(480 Mt/s)，该芯片将USB2 O收发器、串行接口引擎 SIE、增强的8051内核、GPIF等集成于一体。FX2内含4 KB的端点缓冲区F仆Q 可以被配置为具有不同大小缓冲区的

6、IN或OUT端点(EP2, EP4, EPQ EP8)，具有USB协议所规定的4种传输方式，即控制方式、中断方式、批量传输、和同步传输方式。Cypress公司为FX2提供了完善的软件开发工具包，降低了开难度，加快了开发进度。FX2可以工作在3种不同的模式下完成 USB数据的传输，即：Ports模式、GPIF模式和Slave FIFO模 式。Ports模式下其uSB数据的传输主要在FX2的8051内核参与下完成，数据传输通过执行指令实现，因 此数据的传输率比较低，对大批量数据传输一般采用后两种方式。GPIF方式，称为通用可编程接口方式，在此模式下，FX2的FIFO是由内部的GPIF控制的，FX2

7、利用由软件编程输出读写控制波形读取FIFO标志，控制FIFO的选通，并且对外部设备提供了用户专用接口，可以对许多通用总线接口进行访问，如ASIC，DSP和存储器等。文献利用FX2的GPIF方式构建了 LISB数据传输通道。Slave FIFO方式是将FX2的FIFO作为外部控制器(如FPGA或单片机)的从属FIFO，外部控制器可像普通 FIFO操作一样对FX2的FIFO进行 读写，而不考虑该包的大小，传输速率可明显提高，文中FX2在Slave FIFO模式下工作。FX2有3种封装形式：128引脚、100引脚和56引脚，这里选用FX2的56引脚的封装形式。FX2芯片在使用时必须先下载固件程序，固

8、件程序主要负责完成芯片初始化，对芯片进行必要的配置、 处理设备请求、进行数据传输等相应工作。用户通过编写适当的固件程序完成对FX2的设置。Cypress公司提供了一个固件程序开发框架可以大大简化FX2芯片固件程序的开发难度。通过编写用户初始化函数TD_lnit()，用户可以规定各种端点资源的使用以及配置外围接口的输入/输出等。其主要配置语句如下：IFCONFK； = OxCB；/FX2配置为异步Slave FIFO方式内部时钟48 MHz EP2C：F(； = Ox AO；/EP2UX5I2 B.BULK.OUTEP2FIF(X：F(； = OxlO/EP2 自动 OU丁8 位EP6CFG O

9、xECt/EP6.4X512 B,BULK JNEP6FIF()CFG - 0x08；/EP6 自动 IN.8 位EP4CFC； = 0x20；/EP4 无效EP8CFG = 0x60；/71：P8 无效PINFLAGSAB = 0x8E：/FLAGA 固定为 EP6FFFLAGB 固定为 EP2EF PINFLAGSCD = OxOh/FLA(；(：固定为 El吃PFPORTACFG = OxW：/7PA7 引脚配置为 SLCSEIFOPIN POLAR = (J xOO:/所有引脚低电平有效EP2FIF( )PFH = 0x00?FP2端点的整个FIFO大于等于1吋，FP2的可编稈标志激活

10、EP2FIF0PFL = 0x01；固件程序将FX2配置为异步Slave FIFIO模式，总线宽度8位，在4个端点中，EP4和：EP8未被使用， EP2和EP6的配置如表1所示。由于采用自动输入/输出模式，主机和单片机通过旁路FX2的CPU直接连接，所有数据被直接通过 FIFO管道提交，不需固件程序干预。在FX2的slave FIFO模式下，FIFOADR1:0引脚作为地址线选择某个端点，SLCS相当于片选信号，SLwR（写）与单片机的wR引脚相连，SLRD读）和SLOE输出使能）与单片机的RD引脚相连。单片机通过访问地址为0x00的外部存储器的方式就可以实现对EP2的访问，同理可访问 EP6

11、端点。表1 EP2和端点配置端点 统冲区丸小传輸种英访问庖址EP21馆：12 B （主机传向设壽）扯量传输单片机通过FX2的3个标志引脚（FALGA FLAGB FLAGC来全面掌握FX2的各端点FIFO的状况。FLAGA 定义为输入端点EP6的满标志，当输入数据满时该引脚为低电平；FLAGB被定义为输出端点EP2的空标志，当主机传来的数据被读空时该引脚为低电平；FLAGC定义为当EP2端点整个FIF0中的字节数大于等于1时为低电平。假设当前主机没有传送命令，则FLAGC为高电平，当主机发送命令后，EP2的字节数大于等于1，则FLAGC变为低电平。这样在 FALGC引脚上产生了一个下降沿，将此

12、引脚与单片机的INTO引脚相连，则当主机发送命令后单片机会触发 INTO中断，在INTO的中断处理程序中单片机读取并执行传来的命令。2系统软件设计2. 1驱动程序在EZH USB FX2开发包中，提供有通用的驱动程序包，对该程序包稍加修改就可生成一个具有下载固 件并完成设备重枚举功能的设备驱动程序。文献对驱动程序的开发步骤有详细的记述，这里采用的就是这 个通用驱动程序(GPD)。2. 2主机应用程序主机应用程序主要实现向设备发送命令数据包，接收设备传送的数据并进行显示，主机应用程序通过通用驱动程序来完成对设备的控制和通信。应用程序采用VC6 O编写，与设备通信时，首先通过调用Win32函数Cr

13、eateFile() 来取得访问设备驱动程序的句柄。该函数的语句实例如下：HANDLE DeviceHandk)DeviceUandle = CrealeFile( 4 ezusb - 0，r, GENERIC _WRI I E.FTLESHARR WRITE, NULLa)PEN_EXIST1S O,NULL);IVeeQg# 库用户得到设备句柄后，就可以使用Win32函数Devicelontrol()来向设备提交相应的IOCTL控制码，进行读写和控制操作，完成相应操作后应用程序通过Win32函数CloseHandle()关闭设备句柄结束1次操作。以下是部分操作的代码实例：/读操作BOOL

14、status FLASE；/执 行结果status = DeviccIoC ontrol (g_hD(,virc*/输人设 备句柄IOCTL_EZUSR-BULK_READ/批毘读取数据的IOCTL控制码& bulkControL输入缓冲区指向 BULKTRxNSbEICCON rROL/结构的JSih该结构主要用來提供管道号 sizeof( Bl.LK_TRANSFER_()NJROL)输入缓冲区长度 inBuffer,保存读取数据的缓冲区指针FX2_BufferSize,/USB传送数据的总长度必须小牛削KF& BytesReturned ”/实际返回的字节数NULL) |写操作statu

15、s = DeviceIoC3ontrol (g_hDcvicet/输出设备句柄toctl,ezusbbulk3vrtte+/批就写数据的1OCTL控制码 bulkCantroL输人级冲区指向BULKpTRANSFERLCONTR0L结构的指针sizwf(BULKTRANSFER_CONTROL)t/输人缓冲区长度ourBuffer.保存要写到设备的数据缓冲区指针nBufferSizet/USB传送数据的总氏度，必须小于64 KB & BylesReiunied./实际返回的字节数NULL) j吴闭设备Close I Ian dietDevice)；2所示。应用程序中有两个线程，辅助线程为采样线

16、程，采样线程的流程如图采样线程负责从设备读取数据，并通过消息传送机制与主线程通信；主线程负责采样数据的显示、存 盘，向设备发送命令数据包，以及启动/停止采样线程。当执行启动采样命令时，主线程先向设备发送启 动命令数据包，然后启动采样线程准备接收数据；当执行停止采样命令时，主线程先向设备发送停止命令 数据包，然后停止采样线程结束数据的接收。命令数据包大小为4B 包含有命令字和采样间隔时间参数等信息。2. 3单片机程序如上所述，单片机的INTO中断一旦触发，表示主机有命令数据包传送到。在INTO的中断处理程序中，单片机读取EP2端点的数据直到EP2端点为空（FLAGB为低电平），获得上位机发送的命

17、令数据包。若接收 到启动命令，则根据命令数据包的采样间隔时间参数来设置计数变量和定时器T0的初值并启动T0;若接收到的命令为停止命令，则停止定时器TO在TO的中断处理程序中若相应的计数变量达到设定值，则完成A D转换、读取数据以及将数据写入EP6端点的操作。计数变量和 TO的初值均根据命令数据包的参数进行设置，因此设备的采样间隔时间可以由主机程序进行调整。3结语工作于Slave FIFo方式下的FX2相当于在外部控制和主机之间构造了一个的数据管道。通过对 FX2的 FIFO标志引脚FLAGA FALGB FLAGc的配置，使该芯片可以方便地与单片机进行连接，单片机通过外部中 断获知主机数据的到达，通过其他标志引脚获得端点FIFO的信息，单片机和主机通信时，感觉不到FX2的存在。基于单片机和Fx2的数据采集系统扩展方便、编程简单、无需外接电源、采样间隔时间由主机调整， 实现了数据采集系统的小型化和便携化，在现场信号采集，教学实验，仪器仪表等领域具有一定的应用前 景。