電子測量設備USB數據采集系統設計

張鵬義

（江蘇省宿遷經貿高等職業技術學校，江蘇宿遷，223600）

電子測量設備USB數據采集系統設計

張鵬義

（江蘇省宿遷經貿高等職業技術學校，江蘇宿遷，223600）

USB接口是目前數據通信中使用較多的接口類型，由于該接口支持設備熱插拔而且傳輸速度特別快，所以很受歡迎。本文敘述了利用單片機AT89S52和USB接口芯片PDIUSBD12設計一個電子測量設備USB接口電路,可用作PC機和微處理機間傳輸數據的通路,以使PC機對各種設備進行控制。

單片機；USB接口；數據傳輸

0 引言

USB接口是一種快速的,雙向的,同步傳輸的,廉價的,并可以進行熱拔插的串行接口。本文主要介紹一種新型的電子測量設備USB接口電路,該電路可用作PC機和微處理機間傳輸數據的通路,以使PC機對各種設備進行控制,制作串行口硬件并編寫有關軟件，使PC機和微處理機之間可交換數據。

1 系統硬件模塊組成

電子測量設備USB數據采集系統如下圖所示：該系統主要由USB通信接口、數字I/O端口、A/D轉換電路以及單片機系統組成。整個系統的模數轉換模塊、數據采集單元電路仍然使用傳統的設計思路，主要通過判斷數據采集需要的精確度、傳輸速度等參數要求挑選相關的處理芯片，保證數據正確性、及時性、抗干擾性要求。

圖1 USB數據采集系統框圖

原先的USB接口電路設計主要采用普通單片機配上特殊的USB接口管理芯片組成的模式。這種模式下單片機主要起控制USB芯片的作用，專用的USB接口管理芯片帶有電氣通信接口，并且能夠將自身的模擬信號轉換成邏輯電平，送給單片機處理，同時又能將單片機輸出的邏輯電平轉換成模擬信號傳遞下去。整個系統主要有單片機、USB接口芯片及其他相關電路組成。

現在市場上除了傳統的USB接口電路外，各大單片機生產商為了提高整個數據傳遞的可靠性和速率，不斷研制新型單片機，該單片機不但能夠控制系統工作，而且直接具有USB接口管理芯片的功能。使用新型單片機構成的USB數據采集系統可以在一定程度上簡化電路結構，而且系統穩定性也得到較大提高。本文設計的方案采用Atmel公司的AT89S52單片機和Philips公司的PDIUSBD12接口芯片構成系統，設備可靠性高，成本相對而言也比較低。

2 系統工作原理

系統的電路圖如下圖所示，從圖中可以看出，設備電路在形式上就是一個單片機系統。其核心元件就是具有管理USB通信特殊功能的單片機芯片，整個系統均由單片機發出的信號控制。在設備電路中，真正起到USB設備作用的只有單片機和USB接口芯片，其他外圍電路通過單片機發出的指令工作。

系統電路工作原理如下：當U10芯片接收到采樣電路發送來的數據時，它會立即向U1發出中端請求信號，U1芯片根據接受到的信號進行分析，然后通過自身的程序指令將U10芯片接收到的數據從內部緩沖區移到循環數據緩沖區，然后再發出清零指令給U10，以便其繼續采集新的數據，從而完成系統的通信與數據傳遞。

在本系統中USB接口管理芯片U10通過在單片機U1的控制下主要實現以下幾點功能：1）模擬數據收發功能，數據主要經過USB接口以及相關電阻組成的電路進行傳遞。2）自動調整輸出電壓功能，U10芯片內部集成一個穩壓模塊，可以產生一個3.3V的輸出電壓，此電壓主要用于給模擬收發電路提供工作電壓，這個電壓可以通過外接電路進行自我調整。3）鎖相功能，芯片內部同時集成1個6-48MHz的倍頻PLL（鎖相環）,從而減少數據傳輸過程中的干擾。

圖2 系統電路圖

3 系統軟件程序設計

該數據采集系統的軟件設計主要指系統主控制芯片的的軟件程序編寫，整個軟件程序主要包括三個部分：首先是設備初始化設計；其次是數據收發主循環設計；最后是中斷服請求與應答程序設計。整個軟件設計思路是，首先主機發出請求給單片機，然后單片機發送令牌包給USB設備，USB設備在接收到指令之后立即給單片機發出中斷請求，此時單片機進入中斷服務程序，執行相關讀寫操作。整個軟件設計流程主要包括：主循環工作流程、中斷處理流程、控制輸入/輸出處理流程、普通輸入/輸出處理流程、獲取狀態工作流程、設置特性工作流程、清除特性工作流程、設置地址工作流程、獲取描述符工作流程、設置配置工作流程等。

4 結語

本文設計的USB數據采集系統既有對原始信號的采集，又有對數據的處理，所以采用了上下位機、主從式結構。下位機采用單片機，通過其擴展系統采集數據。上位機采用便攜式PC機，來控制下位機的動作和處理下位機采集的數據。上下位機通過USB總線來傳送命令和數據。在系統硬件電路在設計環節，采取了同時分兩路進行數據采集和數據通信的原理，從而在很大程度上提高數據傳輸率。

[1]周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅動開發(第一版)[M].北京航空航天大學出版社,2003.

[2]胡建.基于USB總線的數據采集系統設計[M].北京航空航天大學,2015.3.

Electronic measurement device USB data collection system design

Zhang Pengyi
(Jiangsu suqian economic and trade high vocational technical school,Suqian Jiangsu,223600)

USB interface is the most common type of interface used in data communication. Since this interface supports hot plug and pull and transmission speed is very fast, it is very popular. This paper describes the use of single-chip microcomputer AT89S52 and USB interface chip PDIUSBD12 USB interface circuit design an electronic measuring equipment, used for data transmission between PC and microprocessor pathway, to give the PC to control a variety of equipment.

single chip computer;USB interface;data transmission