（电工理论与新技术专业论文）基于aduc812的usb接口微控制器单元研制.pdf

a b s t r a c t u i l i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) i sac o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n sb u si n t e r f a c es t a n d a r d t h ep a p e ra i m sa td e s i g n i n gau s bi n t e r f a c em i c r o c o n t r o lb a s e do na d u c 8 1 2 b yt h e a d v a n t a g eo fu s b ，s u c h a sh i g h s p e e d , p l u g & p l a y ( p n p ) a n dp o w e r s u p p l y e t c 1 1 1 i s m i c r o c o n t r o li sp o w e r e db yu s bb u sa n dh a sm e r i t so fc o n v e n i e n c eh a n d l ea n df l e x i b l e a p p l i c a t i o n ，i tw i l l - g e tg r e a ta p p l i c a t i o ni nt h ew i l d ，a n da p p l yt of a c t o r y sa n d e n t e r p r i s e s t h cs p e c i f i cp o i n t so ft h ep a p e ri n c l u d et h r e e p a r t s w h i c ha r es o r w a r ca n d h a r d w a r ed e s i g n i n gi nd a t aa c q u i s i t i o na n dp i dc o n t r 0 1 u s bi n t e r f a c ed e s i g na n d a p p l i c a t i o np r o g r a mo fc o m p m e r i nt h i sp a p e rt h et e c h n o l o g yo fd a t aa c q u i s i t i o na n d c o m p m e rc o n t r o li sf i r s ti n t r o d u c e db r i e f l y , s e c o n dt h ek e yc o n t e n ta b o u tu s bb u si s p a r t i c u l a r i z e p r e s e n t s i t se l e c t r i cc h a r a c t e r , t h em o d e lo fd a t as t l 陀a l na n d c o m m u n i c a t i o i l b u s e do i lt h ea b o v ep r e s e n t a t i o n 。t h em i c r o c o n t r o ls c h e m ei sp u t f o r w a r d ，w h i c hi sm a d eu po fa d u c 8 1 2a n du s bb u sm t e f f 丑c et e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r , w eu s e dt w ou s bi n t e r f a c ec h i p st o r e a l i z et w om i e r o c o n t r o l s w h i c ha r e p d i u s b d l 2f o ru s b l 1i m e r f a c ea n di s p l 5 8 1f o ru s b 2 0i n t e r f a c e t h ep a p e r d e t a i l e d l yd e s c r i b e st h ed e s i g no fe v e r yp a r to f h a r d w a r ec i r c u i t ，t h e $ o t | t _ w a r ep r o g r a m f l o w f i n a l l yt h ed e b u g g i n gm e t h o d sa n dt h er e s u l t so ft h eh a r d w a r e ，s o r w a r ea n d s y s t e ma r ep r e s e n t e d i na d d i t i o n , v i s u a lc + + i su s e df o rd e s i g n i n gp r o g r a mo f c o m m u n i c a t i n gb _ e t - w e e r ls i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ra n d p c mm i c r o c o n t r o lh a sh i g l la c c u r a c y ，w h i c hi so w e dt ot h eh i 曲s a m p l i n ga n dl o w n o i s e1 2 - b i ta ，da n dd aa r ei n t e g r a t e di na d u c 8 1 2 a n da d u c 8 1 2d e c r e a s e st h e d e s i g n i n gc o m p l e x i t y ，e n h a n c e st h es t a b i l i t ya n dl e s s e n st h ev o l u m e t h em i c r o c o n t r o lh a sb e e nc o m p l e t e dt h ed e s i g n t h em a n a f a c t u r ea n dt h ed e b u g g i n g o ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a n di t sp e r f o r m a n c ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em i c r o c o n t r o lc a nr e a l i z ee i g h tc h a l m e l sd a m a c q u i s i t i o na n dt w o c h a n n e l s p l dc o n t r o io u t p u t t h es a m p l es p e e dc a nr e a c h15 0 k h z t h ed a t at r a n s m i s s i o ns p e e d c a nr e a c h5 2 k b p so f u s b l 1m i c r o c o n t r 0 1a n d1 0 0 k b p so f u s b 2 0m i e r o c o n t r 0 1 a n di t h a ss t r o n gp r a e t i c a b i l i t y s oi tc a l la p p l yt of a c t o r i e sa n de n t e r p r i s e s 孔es t u d yi st o d e s i g nan e wt y p eo fm i c r o c o n t r o lw i t ht h et e c h n o l o g ya l la b o v e ，w h i c hh a sn e w c h a r a c t e r so fb i g hf u n c t i o n - p r i c e r a t i o ，p o w e r f u lf u n c t i o n ，l o wp o w e rs u p p l ya n de a s i l y u s i n g k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，m i c r o c o n t r o l ，a d u c 8 1 2 ，u s bb u si n t e r f a c e ，p i d i i 西北t 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 自2 0 世纪中叶发明了第一台计算机开始，标志着人类社会进入了信息时代或 信息社会。当今，以计算机与通信紧密结合为特征的信息业，已与能源、材料一 起成为社会发展与人类生活的三大支柱产业。信息正被千家万户所接触、所利用、 所认识，并且日益深入到社会的生产、科学研究、文化与生活及管理等所有领域， 对人类社会发展、物质与精神文明带来极大的推动作用。 数据采集与控制技术是信息科学的一个主要分支，属于信息获取与处理范畴。 在工程技术领域内，它是用来执行数据的采集与处理任务并同时执行整个工业过 程的控制与管理。该技术的硬件主要包括传感器、采集器、转换器、显示器、执 行器和计算机等；软件主要包括通用软件和测控软件等。它们可以根据实际任务 的需要组成不同用途、不同规模的测控自动化系统。这种系统可为农业、工业、 国防和科学技术实现现代化做出重要贡献。 数据采集与控制技术已有近5 0 年的发展历史。最早的数据采集系统称之为数 据记录器，有时也称为巡回检铡装置，只能迸行有限的多点按序预i 量和数据记录。 随着电子计算机的引入，出现了以计算机为基础的数据采集与处理系统，这时系 统不仅能够采集数据而且还可对原始记录数据进行处理、分析、显示并能给出最 后结果。随着计算机功能及其软件技术的发展，系统又增添了控制功能，亦即发 展成现在通用的数据采集与控制系统。从而使其除了具有测量、数据处理与分析 之外又增加了过程控制功能。 随着大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器、存储器、输入输出等外围 接口性能的不断提高，体积越来越小，价格越来越低，使具有数据采集与控制特 性的设备器件不断向智能化、集成化、小型化方向发展，现在已经出现了单片的 微控制器，例如本课题所采用的a d u c 8 1 2 。 数据采集与控制技术的发展与计算机总线技术息息相关。计算机外部总线的 发展是随着外设数量的增加和功能的增强而不断发展的，有并行总线和串行总线 两种类型。由于并行总线的长度要求很短，通常少于l 米，这就要求并行总线的 薅北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 外设必须紧密围绕计算机放置，使用起来很不方便，而串行总线可以适应外设与 计算机之间有较远的传输距离，因此串行总线的应用较为广泛。 目前，常用的串行总线接口标准有r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 和u s b 三种。通用串行 总线( u s b ) ，是一种快速、灵活的总线接口。与其它通信接口比较，u s b 接口的 最大特点是易于使用，这也是u s b 的主要设计目标。作为一种高速总线接口，u s b 适用于多种设备，比如数码相机、m p 3 播放机、高速数据采集设备等。易于使用 性还表现在u s b 接口支持热插拔，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无需 用户干预。数据传输速率高是u s b 接口的另一特点。u s b 接口支持1 5 m b ，s ( 低速) 、 1 2 m b s ( 全速) 和高达4 8 0 m b ，s ( u s b 2 0 规范) 的数据传输速率，扣除用于总线状 态、控制和错误监铡等的数据传输，u s b 的最大理论传输速率仍达1 2 m b s 或 9 6 m b s ，远高于其它的串行总线接口。 1 2 国内外研究动态及课题背景 近年来，数据采集与控制技术飞速发展，各大公司及科研院所纷纷推出自己 的产品。例如：中国航天科技集团公司研制的d p s 动态信号处理系统，可以实现 实时数据采集分析、高速大容量数据采集存储、模态分析、振动监测、静动应交 测量；北京波普世纪科技发展有限公司研制的w s 5 9 2 1 系列u s b 采集仪，该产 品中使用了自动通道扫描技术和f i f o 缓冲存储器，因而具有自动数据块采集能力 和极高的数据传输效率，可完满地实现实时数据处理、连续快速采集存盘等高级 数采功能；台湾凌华研制的2 0 0 5 u s b 接口数据采集卡：1 6 位单端3 2 通道双端 1 6 通道1 0 0 k a d 卡( a d 芯片为a d s 7 8 0 5 ) ，1 0 v 量程，程控增益1 、2 、4 、8 或t 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 ，3 2 k 字f i f o 存储器，带开关量输入、输出1 6 路，1 路定时 计数器；特别是国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 公司日前推出系列易于使用 的高性能数据采集( d a q ) 硬件产品，d a q p a d - 6 0 1 6 、d a q p 蝴一6 0 1 5 、u s b 一9 2 1 5 、 u s b 一9 2 1 1 和s c x i 一1 6 0 0 等。这些器件均为带u s b 接口的d a q 产品，具有连接 方便、便携及系统安装时间短等特点，其中d a q p m 一6 0 1 5 和d a q p a d 一6 0 1 6 是1 6 位精度的n iu s b 多功能d a q 产品，单通道采样率高达2 0 0 k s p s ，同时两款器件 还具有内置的螺纹终端连接，因而不必额外购置线缆和接线块，d a q p a d - 6 0 1 5 和 d a o p a d - 6 0 1 6 适用于便携及猜密测试应用，如便携式数据记录仪、现场监测应用、 嵌入式o e m 应用、车载数据采集以及院所实验室等。这些数据采集系统基本上都 实现了多通道、高精度和高传输速率的要求，但是往往只是具有数据采集的功能 而没有控制输出的功能，因而其使用范围会受到一定的限制。 西j e 工业大学硕士学位论文第一章绪论 研华设计的系列插入式数据采集与控制卡大都具有多路输入输出、采样速率 高、精度高等特点，但是多为p c 接口。例如p c t 一1 7 1 3 3 2 通道总线隔离数据采集 卡具有以下特点：1 2 位分辨率，1 0 0 k s s 采样频率；3 2 路单端或1 6 路差分模拟量 输入，可混合输入；可编程输入范围：1 0 v ，5 v ，2 5 v ，1 2 5 v ，0 6 2 5 v ， 0 - 1 0 v ，0 5 v ，0 2 。5 v ，0 1 2 5 v ，4 kf i f o 内部软件# b 部触发模式。p c t 总 线虽具有高的传输速度( 1 3 3 m b p s ) ，支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔 麻烦，且扩展槽有限( 一般为5 - - 6 个) 。因此，设计种使用范围广、支持热插 拔和“即插即用”的微控制器成为一种市场需求。本课题结合这一市场需求研制 具有u s b 接口微控制器，并且利用p h i l i p s 公司的u s b l 1 接1 2 1 芯片p d i u s b d l 2 ( 简称d 1 2 ) 和u s b 2 0 接口芯片i s p l 5 8 1 实现了两种接口规范的微控制器。该微 控制器实现了8 路数据采集和2 路p i d 控制输出、实时显示采集信号的波形，具 有功能全，结构简单、体积小、功耗低等特点。 随着技术水平的提高和计算机的广泛应用，人们对串行通信提出了更高的要 求。开发出一种兼容低速和高速的技术，从而为广大用户提供一种可共享的、可 补充的、使用方便的串行总线已成为众多厂商的共同目标。为了实现整个计算机 系统中总线的一致性，由c o m p a 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 等几家大公司共同开发 了一种新的、快速的、双向的、同步传输的并可以热插拔的数据传输总线，简称 u s b 总线。 u s b 总线的发展至今经历了3 个主要阶段：u s b l 1 、u s b 2 0 和u s bo t g 。 u s b l 1 在w i n d o w s9 8 的推动下发展壮大起来在2 0 0 1 年中使用到的u s b l 1 协 议器件就多达3 亿个。u s b l 1 设备虽然具有即插即用等优点，但是对于大量的数 据传输就显得力不从心了。u s b 2 0 的推出使得u s b 总线的传输速度翻了几倍，传 输速度从原来的1 2 m b s 增加到4 8 0 m b s ，使得原来u s b 不能使用的视频传输都可 以使用了。u s b o t g 是为了弥补u s b 2 0 的不足，对u s b 总线的协议进行了补充， 使得u s b 总线可以迸行点对点的传输，而不像以前那一定要求主机的参与，使得 设备与设备之间可以进行通信。 u s b 总线的优点有以下几点： ( 1 ) u s b 为所有的u s b # b 设提供了单一的、易于操作的标准的连接类型。用 户在连接时，不必像传统的接口方式那样判断哪个插头对应哪个插座。 ( 2 ) u s b 派生出了各种设备，像鼠标、调制解调器、键盘和打印机设备对系 统资源的需求，因而减少了硬件的复杂性和对端口的占用。 ( 3 ) u s b 支持热插拔( h o tp l u g ) ，也就是说在不关p c 机的情况下可以安全的 插上和断开u s b 设备，动态的加载驱动程序。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) u s b 设备支持即插即用。当插) x u s b 设备的时候，计算机系统检测外设 并且通过自动的加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正常工作。 ( 5 ) u s b 在设备的供电方面提供了灵活性。u s b 直接连接到h u b 或者是连接 至l j h o s t 的设备，可以通过u s b 电缆供电，也可以通过电池或者其它电力设备供电， 并且支持节约能源的挂机和环形模式。 ( 6 ) u s b 传输速率快。u s b 2 o 传输速度高达4 8 0 m b p s ，完全能满足需要大量 数据交换的外设的要求。 ( 7 ) 为适应不同类型外围设备的要求，u s b 提供了四种不同的数据传送类型。 ( 8 ) u s b 的多个外围设备可以和主机通信。 基于以上优点，u s b 接口技术被广泛应用于计算机通用外设，也被应用于测 控系统中。本论文研制的微控制器就是采用了u s b 接口技术。早期工业生产和管 理中，对温度、压力、频率、液位等的数据采集都是通过数据采集卡实现的，内 置的数据采集卡无论是采用p c i 总线还是i s a 总线，安装和维修都要在机箱内操作， 非常麻烦，同时也容易受机箱内部环境的影响，而采用u s b 总线可以避免这些问 题，实现低成本、高可靠性的数据采集和传输。 1 3 论文的主要工作 本课题的主要工作是研制出基于单片机a d u c 8 1 2 并带有u s b 接口微控制器， 该微控制器实现了8 路实时数据采集和2 路p i d 控制输出的功能，具有采集精度 高、数据传输速度快、稳定性好、功耗低等优点，符合新一代微控制器发展的要 求。 本论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 广泛查阅国内外相关研究动态及研究方案，确定基于a d u c 8 1 2 的u s b 接口微控制器单元的设计方案。 ( 2 ) 设计信号调理模拟电路，实现输入信号的双极性向单极性转换和输出信 号的单极性向双极性转换。 ( 3 ) 设计单片机数据数据采集软、硬件。 ( 4 ) 设计u s b l 1 、u s b 2 0 接口电路软、硬件。包括设计p d i u s b d l 2 、i s p l 5 8 1 接口电路和i j s l 3 枚举部分软件设计。 ( 5 ) p i d 运算的软件实现和d a 输出。 ( 6 ) 设计上位p c 机数据分析、存储、显示应用程序。 4 西北上业大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 论文内容安排 论文分为六章，其内容安排如下： 第一章绪论。首先对数据采集与计算机控制的产生与发展、国内外相关的研 究动态与课题背景以及u s b 总线接口的发展做了总体介绍，然后对本人在毕业设 计期间所做的主要工作以及论文的内容安排作了简单介绍。 第二章数据采集与计算机控制系统简介。对微控制器的三个各主要组成部 分：数据采集、计算机控制技术和u s b 总线接口技术分别作以简单介绍，然后根 据微控制器单元设计技术指标，确定微控制器单元设计方案。 第三章微控制器单元硬件设计与实现。给出了硬件电路的原理框图以及硬件 抗干扰方案，并对各部分电路的原理和功能作了详细的介绍。 第四章微控锘8 器单元软件设计与实现。给出了数据采集、u s b 数据传输和 p i d 控制软件的c 5 1 程序流程图、对加载工具作了简单的介绍，并对上位机应用 程序的编写作了详细介绍。 第五章微控制器单元调试。介绍了微控制器单元各部分的硬件调试、软件调 试和微控制器单元总体调试的方法和结果。 第六章总结与展望。分析微控制器单元设计中存在的问题及解决方法，总结 u s b 技术的发展方向。 区北工业大学硕士学位论文 第二章数据采集与计算机控制系统简介 第二章数据采集与计算机控制系统简介 随着电子技术的飞速发展，数据采集和计算机控制技术也得到了长足的发展， 一些厂家相继推出了一系列应用在各种场合的数据采集和控制产品，其应用领域 也越来越广泛。基于a d u c 8 1 2 的u s b 接口微控制器主要有三大部分组成，一、 数据采集技术，二、计算机控制技术，三、u s b 总线接口技术，下面对这三种技 术作以简要介绍。 2 数据采集技术 2 1 。i 数据采集简介 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生 产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的 作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温 度、压力、位移、流量、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先 将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是 数据采集。它是计算机在监测、管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的 重要手段。 数据采集就是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量， 也可以是化学量、生物量等) 通过各种传感元件作适当转换后，再经过信号调理、 采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录韵过 程。控制器一般由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它对整个 系统进行控制并对采集的数据进行加工处理。用于数据采集的成套设备称为数据 采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 。 数据采集是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采 集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领 域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术 将有广阔的发展前景。 西北上业大学硕士学位论文第二章数据采集与计算机控制系统简介 数据采集系统追求的最重要目标有两个：是精度，二是速度。对任何的测 试都要有一定的精度要求，否则就失去测试的意义：提高数据采集的速度不仅仅 是提高了工作效率，更重要的是扩大数据采集系统的适用范围，便于实现动态测 试。 现代数据采集系统具有如下主要特点： ( 1 ) 现代数据采集系统一般由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大 为提高，也节省了硬件投资。 ( 2 ) 软件在数据采集中的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 ( 3 ) 数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成数据采集与处理系统， 可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。 ( 4 ) 数据采集过程一般具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要； 对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。 ( 5 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来 越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统，如本次课题所使用的数 据采集系统芯片a d u c s l 2 。 ( 6 ) 总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术对数据采集系统结构 的发展起着重要作用。 2 1 2 数据采集系统基本组成 数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分可分为模拟部分和数字部 分。图2 - 是硬件基本组成示意图。下面简单介绍一下数据采集系统的各个组成 部分。 一_ | | 憾 叫巫匾卜匝匦矗嵯副翼 刨 图2 - 1数据采集系统硬件基本组成 传感器的作用是把非电的物理量变成模拟电量( 如电压、电流或频率) ，例 如使用热电偶、热电阻可以获得随温度变化的电压，转速传感器常把转速转换为 电脉冲等。通常把传感器输出到a d 转换输出的这一段信号通道称为模拟通道a 放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用的 热电偶输出变化，往往在几毫伏到几十毫伏之间；电阻应交片输出电压变化只有 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章数据采集与计算机控制系统简介 几个毫伏；人体生物电信号仅是微伏量级。因此需要加以放大，以满足大多数a d 转换器的满量程输入的要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这 样放大器还起到了阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。由于各类传感器输出信号 的情况各不相同，所以放大器的种类也很繁杂。例如为了减少输入信号的共模分 量，就产生了各类差分放大器、仪表放大器和隔离放大器；为了减少放大器输出 的漂移，具有斩波稳零和激光修正的精密放大器。 传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠 道使信号通道感染上噪声，例如工频信号可以成为一种人为的干扰源。这种噪声 可以用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号的信噪比。 在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测， 这可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的 某一路信号，因此，在多路开关后的单元电路，如采样保持电路、a d 及处理器 电路等，只需一套即可，这样可以节省成本和体积。但这仅仅在物理量变换比较 缓慢、变换局期在数十至数百毫秒之间的情况下较合适。因为这时可以使用普通 的数十微秒a d 转换器从容地分时处理这些信号。但当分时通道较多时，必须注 意泄漏及逻辑安排等问题；但信号频率较高时，使用多路分路开关后，对a d 转 换速率要求也随之上升。在数据通过率超过4 0 5 0 k i - i z 时，一般不再使用分时的 多路开关技术。多路模拟开关有时也可安排在放大器之前，但当输入信号的电平 较低时，需注意选择多路模拟开关的类型。若选用集成电路的多路模拟开关，由 于它比干簧或继电器组成的多路开关导通电阻大，泄漏电流大，因而有较大的误 差产生。所以要根据具体情况来选择多路模拟开关的类塑。 模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样保持和a d 转换电路。采 样保持电路的作用是快速拾取多路模拟开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定， 以提高a d 转换器的转换精度，如果把采样保持电路放在多路模拟开关之前，还 可实现对瞬时信号进行同步采样。 采样保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键 电路。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨率、精度、转换速率及成本的要 求也不同，所以a d 转换器的种类也较多。早期的采样保持器和模数转换器需要 数据采集系统设计人员自行设计，目前普通采用单片集成电路，有的单片a d 转 换器内部还包含有采集保持电路、基准电源和接1 ：3 电路，这为系统设计提供了较 大方便。 a d 转换的结果要送给计算机。有的采用并行码输出，有的则采用串行码输出。 使用串行码输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。 西北工业大学硕士学位论文 第二章数据采集与计算机控制系统简介 2 1 3 数据采集芯片的选择 数据采集芯片的选择业也可以说是a d 转换器的选择，它是数据采集系统的 重要一环，直接影响数据采集系统的性能。如果任务要求高速数据采集，我们应 采用高速a 0 ，如果任务对采集速度没有要求，如对温度、位移等物理量的采集， 则可以采用速度较低的a 0 转换器。 目前市场上存在很多种数据采集芯片，通道数有单通道、多通道，精度也不 尽相同，有8 位、1 2 位、1 6 位等。早期的数据采集系统采用的逐次逼近式j t d 转 换器，如a d 5 7 4 ( 字长1 2 位，转换速度2 0 “s ) ，使用的芯片比较多，电路复杂， 抗干扰性差。为了进一步简化电路设计与调试、增强抗干扰性，一些半导体厂家 将完整的数据采集系统集成到块芯片中，能够自动完成所有输入通道的数据采 集而无需c p u 于预。例如，m a ) ( i m 公司的m a x l 2 5 1 2 6 和a d 公司的a d 7 8 7 4 。 m a x l 2 5 1 2 6 集成了2 组各4 路输入通道( 4 个采样保持器) ，1 4 位分辨率和3us 的模数转换时间，1 4 位双口r a m 以及与大多数微处理器兼容的并行接口。采用 这种专用数据采集芯片，将极大简化单片机型微机保护装置数据采集系统的设计、 生产、调试方式，大大提高其数据采集系统的数据采集能力。但目前较受欢迎的 是本次课题所使用的a d 公司的a d u c 8 1 2 数据采集芯片。下面对a d u c 8 1 2 作以 简单介绍。 a d u c 8 1 2 单片机是美国a d 公司新推出的具有真正意义上的完整的数据采集 芯片( 包括数据转换电路、微控制器、闪速电擦除存储器等等) 。其组成为：8 0 c 5 2 单片机的内核，一个8 通道、5 , u s 转换时间、精度自校准、1 2 位精度的逐次逼近 a d c 转换器；两个1 2 位的数模转换器( d a c ) ；8 k b 的闪速电擦除程序存储器， 6 4 0 字节闪速电擦除存储器以及2 5 6 字节数据s r a m ；3 2 条可编程的i 0 线；一 个看门狗定时器和电源监控器；一个通用的异步串行收发器( u a r t ) ，s p i 和，2 c 总线接口。 a d u c 8 1 2 的优点之一是集成了一个完全可编程的、自校准、高精度的模拟数 据采集系统。它小得可以放置在一个传感器、转发器或电缆连接器之内。它的成 本较低，因此可以取代建立在单板机基础上的高成本、大体积的产品。由于其高 精度和高速度，它适用于智能传感、瞬间获取、数据采集和各种通信系统。另外， 它的静态c p u 操作，以及其空闲和掉电方式对于电池供电的便携式电脑和数据监 控设备来说是至关重要的性能。 a d u c 8 1 2 的另一个优点是它采用了闪速电擦除存储器，辅之以内含的加载器 和调试软件，解决了以r o m 为基础的芯片产品的灵活性差、存储困难等问题。另 西北工业大学硕士学位论文 第二章数据采集与计算机控制系统简介 外闪速存储器中包含2 k b 的初始参数区，用于保存上电时初始化、串行加载、自 校准和产品识别等参数，这使得系统的设计、编程、调试更加简便。 微转换器的数据采集电路自身不需要8 0 3 1 过多的干预。因而与分立方式的a d 转换和微控制器相比，它的效率更高。因为后者要求c p u 用更多精力控制数据转 换，当高精度时更是如此。 总之与传统的由m c u + a d + r o m + r a m 构成的采集系统板相比，集成化 的数据采集器件a d u c 8 1 2 有以下明显的优势： ( 1 ) 全集成化的设计极大地减小了电路板面积、降低了成本、增加了可靠性。 如果采用由m c u + a d + r o m + r a m 构成的采集系统板，需要大约 1 0 0 m m 1 0 0 m m 的电路板面积，而a d u c $ 1 2 面积仅1 3 5 m m 1 4 m m ，加上外围 器件，电路板面积不足前者的五十分之一，大大地缩小了系统的线路板面积，从 而可安装在传感器、仪表、管道中等最靠近数据采集现场的地方，极大地提高现 场数据的精确可靠性。 ( 2 ) 明显降低了功耗。 a d u c 8 1 2 采用了微功耗设计，5 v 供电( 也可使用3 v ) ，更适合于电池供电 的系统使用。器件有正常、空闲和掉电三种模式，可以用于调节芯片功耗，从而 使功耗降至最低。 a d u c 8 1 2 可组成单片数据采集系统，在工业控制、家用电器、通信、自动化、 军事领域都有用武之地。由于它的体积小、功耗低，还可以用于智挠传感器、电 池供电系统( 如手提电脑、仪器、监视器) 等。本次毕业设计就是选用它来作为 数据采集器。 2 2 计算机控制技术 由计算机完成部分或全部控制功能的控制系统，称为计算机控制系统。严格 地讲，它是建立在计算机控制理论基础上的一种以计算机为手段的控制系统。计 算机控制系统的发展经历了三个阶段。从5 0 年代开始起步，6 0 年代的试验阶段， 7 0 年代开始推广分级控制技术。特别是随着大规模集成电路技术的发展，微型计 算机的普及，为集散型控制提供了很好的发展空间和前提条件。 目前，计算机技术和控制理论相结合，形成了计算机控制系统。凡是季u 用计 算机参与生产过程控制的系统，就被称为计算机控制系统。随着生产向连续化、 大型化发展，对自动化的要求越来越高，而过去常规的模拟量控制技术越来越表 现出它的局限性。比如：难以实现复杂的规律控制、不易实现集中的监视和集中操 1 0 西北1 ：业大学硕士学位论文 第二章数据采集与计算机控制系统简介 作、不易实现分级控制和综合自动化等。 与之相对应，计算机控制系统有以下的优点： ( 1 ) 计算灵活。计算机可以实现几乎任意的控制算法，它可以方便的通过编程 实现。不仅能实现模拟控制中的p i d 控制，而且易于实现一些先进的算法，如模 糊控制，自适应控制和神经元控制等。 ( 2 ) 能实现集中监视和操作。一个模拟的调节器只能控制一个被控量，采用计 算机控制时，由于具有分时控制能力，所以可控制上百个控制量。这样可实现集 中监视和操作。 ( 3 ) 实现最优控制。计算机不仅能实现模拟控制系统中的p i d 调节规律，而且 由于计算机的记忆、逻辑判断能力，所以在环境和参数变化时，能及时进行判断， 选择最佳的方案控制。 ( 4 ) 控制精度高。较之模拟控制系统，计算机控制不受温度和电源电压的波动 的影响，提高了控制精度。 2 。2 。1计算机控制系统组成 一般的计算机控制系统由计算机、y o 接口电路、通用外部设备和工业生产对 象等部分组成，其原理框图如图2 2 所示。 软件l ，0 多路 矧奎兰兰f 一 接 腓 开关 计l 口 叫! 竺卜 反多路 恻燮 一 工 算p叫电 开关 上可而订 业 机 路 机构f 生 产 实 操 l o 对 时 堡3 - 4接 象 口 开关量输入| 时 口 电一叫开关量输出卜 钟 略 图2 2 计算机控制系统原理框图 在图2 2 中，被测参数经传感器、变送器，转换成统一的标准电信号，再经 多路开关分时送到a d 转换器进行多路转换，转换后的数字量通过i o 口送入计 算机，通常称之为模拟量输入通道。软件对采集的数字量进行处理和计算，然后 经模拟量输出通道输出。输出的数字量经过d a 转换成模拟量，再经反多路开关 l l 丽北工业大学硕士学位论文 第二章数据采集与计算机控制系统简介 与相应的执行机构相连，以便对被控对象进行控制。 2 2 1 计算机控制系统的硬件构成 从计算机控制的角度出发，基于a d u c 8 1 2 的微控制器单元可分为以下4 个部 分： ( 1 ) 主机 这是微控制器的控制核心部分。用于指挥整个计算机系统的工作。完成微控 制器设备的检测、数据采集参数的设置和p i d 控制参数的设置、各种命令的发送 以及采集数据的记录、显示、存储等功能。 在实际工作中，我们采用的就是普通的p c 机，配合w i n d o w s x p 或 w i n d o w s 2 0 0 0 的操作系统即可。 ( 2 ) i o ( i n p u t o u t p u t ) 接口电路 i o 接口电路是主机与被控对象进行信息交换的纽带。主机通过i 0 接口电路 与外部设备进行数据交换。目前，工业控制机常用的接口有；并行接口( 如8 1 5 5 和8 2 5 5 等) 、串行接口、直接数据传送接口( 如8 2 3 7 ) 、中断控制接口( 如8 2 5 9 ) 、 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口等。u s b 接口由于其快速( 最高可达4 8 0 m b p s ) 、 双向、灵活、稳定、支持热插拔的特点，在微控制器中得到了广泛的应用。本课 题中我们选用了u s b 接口电路。 ( 3 ) 外设 包括显示器、驱动磁盘和键盘。显示器用于显示操作界面。而驱动磁盘和键 盘则是现场操控中人机交流的凭借。 ( 4 ) 数据存储单元 数据存放在计算机的本地硬盘中。当然也可以通过软盘或优盘来存储工作过 程之中的数据和信息。 2 3u s b 总线接口技术 本课题中u s b 总线用来传输采集来的数据和p c 机发来的命令，同时为微控 制器单元提供电源。u s b 总线可以为微控制器单元提供5 v 的电源，无须外置电源， 方便实用，减少了微控制器单元成本。采集来的数据需要以一定的形式通过总线 发送到p c 机，这就涉及到u s b 通信的数据流和数据传输模型。这一节将主要介 绍u s b 的电气特性、u s b 通信数据流和数据传输的四种模式。 题北工业大学硕士学位论文 第二章数据采集与计算机控制系统简介 2 3 1u s b 电气特。眭 u s b 传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图2 - 3 中的d + 、d 一两根线是用 于发送信号。 v b 【j s d + d g n d v 8 u s d + d g n d 图2 - 3u s b 的电缆 u s b 2 0 的两种数据传输速率为：高速传输4 8 0 m b p s 、全速传输1 2 m b p s ； u s b l 1 的两种数据传输速率为：高速传输1 2 m b p s 、低速传输1 5 m b p s ； 低速模式需要更少的e m i 保护。u s b l 1 两种模式可在用同一u s b 总线传输 的情况下自动地动态切换。因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率，所 以该模式只支持有限个低带宽的设备( 如鼠标) 。时钟被调制后与差分数据一同被 传送出去，时钟信号被转换成n r z i 码，并填充了比特以保证转换的连续性，每一 数据包中附有同步信号以使得收方可还原出原时钟信号。u s b 2 0 高速数据传输速 率可达4 8 0 m b p s ，因而使得高分辨率、真彩色的大容量高速实时语音或图像的传 输成为可能。 电缆中包括v b u s 、g n d 二条线，向设备提供电源。v b u s 使用+ 5 v 电源。 u s b 对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。通过选择合适的导线长度以匹配指 定的i rd r o p 和其它一些特性，如设备能源预算和电缆适应度。为了保证足够的输 入电压和终端阻抗，重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端日都可检测终 端是否连接或分离，并区分出高速或低速设备。 2 3 2u s b 通信数据流模型 u s b 提供了主机上软件和u s b 功能块之间的通信服务。根据不同客户与功能 块之间相互作用的要求，功能块可具有不同的数据流。通过分离一个u s b 功能块 的不同数据流，从整体上而言，u s b 可以提供更好的带宽利用率。每个数据流利 用一些总线访问来完成客户端与功能块之间的通信。每个数据流终止于设备上的 一个端点( e n d p o i n t ) 。设备的端点是u s b 设备的唯一的可标识部分，用来标识每 个数据流的方向，它是主机和设备之间数据流的信息源或终点。 对u s b 系统来说，一个u s b 逻辑设备是端点的一个集合。端点组合成实现接 j 3 西北工业大学硕士学位论文 第二二章数据采集与计算机控制系统简介 1 2 1 的端点接口，接口是面对此功能块的。u s b 系统软件使用与端点0 相关的缺省 管道( d e f a u l tp i p e ) 来管理设备。管道( p i p e ) 是描述设备上的端点和主机上软件之 间的一个抽象通道。客户软件要求数据在主机的缓冲器和u s b 设备上的一个端点 之间传送。主机控制器( 或依赖于传送方向的u s b 设备) 对数据进行打包使之在 u s b 上传送。当使用总线访问通过u s b 进行数据包的传输时，主机控制器起着协 调的作用。图2 4 说明了在端点和主机的存贮缓冲器之间的数据流是如何通过管 道的。主机上的软件通过一组数据流来和一个逻辑设备进行通信，数据流组是由 设备软件硬件来选择的，从而使设备的通信需求和u s b 提供的传输特性有效地 匹配。 2 3 3i i s 8 数据传输类型 接1 2 1 图2 4u s b 通信数据流模型 主控制器负责主机和u s b 设备间数据流的传输。这些传输数据被看作连续的 比特流。每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通信的接口，每个接口由0 个或多个管道组成，这些管道分别独立地在客户程序和设备的特定终端间传输数 据。u s b 驱动程序( u s b d ) 为主机软件的现实露求建立了接口和管道，当提出配置 请求时，主控制器根据主机软件提供的参数提供服务。 为适应设备的多样性，u s b 协议定义了4 种传输类型：控制传输、批量传输、 中断传输、同步传输。 ( 1 ) 控制传输 控制( c o n t