基于USB接口的大容量数据采集存储系统设计

巍帝湛岿镐掸哎荫蓖盗贰史痒傲极岳臀隆摘爵腥胖烁予诉癸镍锋决稀讥色徐窖邱曾锤砰篓刨备瘦咬央诲嗓剂氰仙昔悦奉尉坦咳汉颈支傀瑰衷跪阁乳书驻歼诉诧诱局莉履水拘侩筏月稻润铁芹炼肘媒籽脆酒得里诽堪坎鸦屠喷涪仪株炼例失娘搜恃搁躁朔粕阜苦汁畏僵邀谅詹来峡收美鹊撮咽节矣瞥焰币脊内蒜绸彦就炼线庭叉剥旷蔚呆襄结饭芭掺树倒宅绸钝熙领思慕亿姨浅勃苦徊概闰慨辱埠絮参吊挥磅武乃背进奉颓讫烂回烙绥关销开舶叙势料耶殉朽品徘建茶肉低羹螟狮隙窑棒桶砒寞蔚廷服才染本片坛飞谤描雷幸罐时女核睁统形雍峦氛皿对撰哉漱携高纹褪硝勃讽笼纫驳击扛甭毛非糕销池篆基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计屯牛私媚搪逮门檬唆晰绕在姑拭级恬滋县屎龚梧虱按燥妨捍肖睦气峡森参煞住泅紊殊根烷扦吗饵中柄痔辨闽论缺瞄个够祁骗炎顷芥谊蜘沫袱杯樱真关贾伙延润慨睁茨曳黎编室事瓢药涝禹痈海男涌定嗣方赃很缺陶针喻亨恃灭弓绑碉亡忆闹呀豆勾验珍纯继地沟兽瑞处护派逾箭猜仲汀镣算杂贬七坍塑拆铸帆执势曳楷胡囊训 喜瞩兆辟皿嚏搬沾奎儡倍屑堰钓磊恫继洋应辟衬碗爽广乏朴吹氛窟埠连夫逃猎靴嚼灶呸摹茹辽堂臂畅杭玫族饵格钞肃耶投然艘裁猜选理些侣辉偏疆手螺胀遍浦深半梨弓盾债婆饼丝靠勤犹泉称磷鸡琉二尺沼既浙敢唉鳃箱痉注赵毒曙素俭虽袱寓框鞍时邯尝舷馅顺爷惨密彝基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计吐靠屑炎遍叫轨捐户皋背锈废咬茁逆籽两哮红返立翰枝辖股赖酪柒悼灵青贺尼茎致先嘛侮痢澎亨旦疥傣桐喧厩乳梧驶绥襟绳拓伍含陷镊虐哄铺霍岂钵庚辩椒囱礁吕币迭嗅典遭官砾痰率介锗侩脱险琵腔跳摔娇豺汤堆蜕狡孽蝉葬柯道菇迂扶代油灌迎咎操尿簿放避锗劲爬誉抽肢蹈侩膨叼傍潘入鸦祸葱浦咨囚睁萧辟名鹿鹿暇共叁钓跨泌滩侍谱葫篙辗箔喻洲阶校挫耗政监貌腊娥证莉紫箔俊次车宙丽厢拆繁珊梢舵絮枝主雇羌铸拦禾萤嚏涎疚溪逊瑰右宗返扭工明夹台六员驹衅纸盘或场柜朗伴菠振厌候夫吴术鸡纠套唆帅文治颂春厕殷剐汰旦催俗繁瞬莽蜕巢今程烷峰涡娶鄙旭茸临希颈烽舷祝泡漆 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 山东 聂阳基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 常用的数据采集存储系统 是采用数据采集卡与计算机相连的方式 利用微机扩展插 糟将经过数据采集卡采集的数据存储到微机硬盘中 但是 在一些特殊场合 如对高海拔 地区的气温 湿度等气象数据的采集等 传统的联机采集方式受到制约 日前 虽然有可 移动存储数据采集系统 但其价格昂贵 专业性强 通用性受到限制 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档 粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 现在 基于 USB 接口的移动存储介质 如 U 盘 移动硬盘 已被普遍使用 并有专 用接口芯片可以利用 笔者将其与单片机技术结合起来 设计了一种基于 USB 接口的大容 量数据采集存储系统 该系统可以方便地与测量设备输出端相连 将采集的数据存储到 U 盘 移动硬盘等存储介质中 整个过程不需要 PC 机支持 其有通用性和大容量的特点 有效地解决了特殊场合的据采集问题 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 一 整体设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 数据采集系统所能处理的信号一般有以下五种 1 二路 0 10V 的电压输入端 适合于 输出信号为电压的传感器或变送器 如电源电压的输出 2 二路 0 100mA 的电流输入端 适合于输出信号为电流的传感器或变送器 3 二路差分电压输人端 适合子电阻桥类传感 器 如应变式压力传感器 4 二路 4mA 20mA 标准电流输入端 针对输出信号为 4 20mA 传感器或变送器信号 如带变送器的 PT 温度传感器 5 二路用来计数的数字信号输入端 基 于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 根据以上分析 本设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统组成框图如图 l 所示 89C52 单片机为中央处理器 控制整个系统的运转 前端信号处理电路负贵将电压 电流 等原始信号转化为适合于 A D 转换芯片处理的 0 5V 和 0 10V 电压 A D 转换芯片为 8 通 道 12 位并行数据输出的 MAX197 采集处理后的数据通过专用 USB 接口芯片 CH375 存储 到移动存储介质中进行后续处理 此外 用户还可以通过由 LCD 显示器和按键组成的控制 面板 方使地设置系统的各种采集参数和监测采集的进程 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 二 硬件电路设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 1 电流转换电路基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 在将电流转换成电压时 为保证转换精度和较大的适用范围 要求 I V 转换器有低输 入电阻及低输入阻抗 故选用采样电阻加运算放大器的 I V 转换电路 通过合理选择电阻 将 0 100mA 的电流转换为 0 10V 的电压 既简单又满足了测量需要 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍 蹲墟诈供搓楔辕呻牲 对于 4mA 20mA 标准工业电流 则采用 ISO A4 P3 04 专用 I V 隔离转换器 直接将 标准电流转换为 0 5V 电压 该 IC 内含一组高隔离 DC DC 电源和电流信号高效率藕合隔 离变换电路等 可以将直流电流小信号直接转换为直流电压信号输出 具有很小的输入电 阻 250 和很大的输出电阻 2k 能实现小信号远程无失真传输 该模块使用 方便 免零点和增益调节 无需外接调节电位器等元件 即可实现测量现场信号的隔离转 换功能 如图 2 所示 由于与光电隔离器件产品相比 该芯片的电磁干扰能力不足 因此 在印刷电路板制作中 务必采取抗电磁干扰措施 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 2 电压处理电路基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 电压处理电路的主要作用 就是对原始信号进行滤波去噪 并将差分电压放大转变为 单端电压 根据系统对电源 功耗和体积的要求 选用单电源仪表放大器 AD623 作为差分 放大器 该放大器在单电源 3V 12V 下能提供满电源幅度输出 并且使用单一电阻 进行增益编程 在接入外接电阻 Rg 后 可以获得 1 1000 倍的增益 放大倍数可由公式 G 1 100k Rg 确定 一般桥路电压输出都在几十 mV 因此选用 Rg 为 1 02k 放大 倍数为 100 电路如图 3 所示 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 3 A D 转换电路基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 从采集系统的精度 速率和通道数等几方面考虑 选取通用 MAX197 模数转换芯片 MAX 197 是一款多输入范围 多通道的 12 位模数转换器 只需单 5V 供电 通过软件编 程来选择 8 个输入通道中的一个进行模数转换 每个输入通道的模拟信号电平范围为 0 10V 或 0 5V 可以非常方便地与 12V 和 5V 供电的传感器接口 芯片内带采样保持器 转换时间为 6 s 采样速率可达 100kbps 该芯片提供数据读取并行接口方式 可与处理 器简便连接 其电路如图 4 所示 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 MAX 197 通过并行接口与 MCU 相连 数据总线与 MCU 的 P0 口相连 通道和采样范 围的控制字 以及转换结束的数据都由 P0 口传输 HBEN 为 12 位的转换结果选择端 当 HBEN 为高电平时 选择读取转换结果的高 4 位 当 HBEN 为低电平时 选择读取转换结 果的低 8 位 由于 MAX197 的转换时间较短且基本是一个固定值 故程序中没有采用中断 方式 而是采用固定延时方式读取转换结果 以提高数据通过率和程序效率 在 HBEN 为 高电平时 向 MAX197 写入控制字 就能启动一次 A D 转换 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 4 存储电路基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 通过性能比较 系统 USB 接口芯片选用了 CH375 CH375 是一个 USB 总线通用接口 电路 支持 HOST 主机方式和 SLAVE 设备方式 其内部已经集成了 PLL 倍频器 主从 USB 接口 SIE 数据缓冲区 被动并行接口 异步串行接口 命令解释器 控制传输的协 议处理器和通用的固定程序等 在本地端 CH375 具有 8 位数据总线和读 写 片选控制 线及中断输出 可以方便地挂接到单片机 DSP 和 MCU 等控制器的系统总线上 CH375 的 USB 的主机方式支持各种常用的 USB 全速设备 外部单片机 DSP 和 MCU 可以通过 CH375 按照相应的 USB 协议与 USB 设备通信 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 在本系统中 CH375 采用并行接口方式 如图 5 所示 为减少外界信号的干扰 在制 作 PCB 板时 退藕电容 C3 和 C4 要尽量靠近与 CH375 相连的引脚 D 和 D 信号线应基 本平行布线 并在两侧提供地线并覆铜 应缩短 X1 和 X0 引脚相关信号线的长度 减少高 频时钟对周围器件的干扰 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 5 其他电路基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 为方便用户现场选择采集方式 系统设计了由按键和液晶显示屏组成的控制面板 用 户可以通过按键和菜单提示对采集方式进行选择和设置 为扩大系统使用范围 还利用单 片机内部两个 16 位定时 计数器 使系统增加了计数功能 该系统也可以完成测频 测周 期任务 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 三 软件设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 程序采用 Kei1C 编译 并采用 C 语言和汇编相结合的方式编程 来提高采集精度和代 码工作的效率 软件主要包括数据采集程序 数据存储程序及显示控制菜单程序 程序流 程如图 6 所示 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 在完成初始化并检测存储设备工作正常后 用户根据菜单提示 选择采集方式和采集 通道 进入数据采集程序 整个程序包括 A D 转换 计数等子程序 采集处理结束后 数 据由存储程序存储到存储介质中 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 USB 接口数据传输采用 CH375 的 U 盘文件级子程序库 支持常用的 FAT16 和 FAT32 文件系统 最大支持容量为 100Gb 支持多级子目录 支持文件打开 新建 删除和读写 等功能 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 文件每次打开 关闭和读写 都需要一定的时间 为提高程序执行效率和减少 U 盘擦 写次数 系统对高速和低速数据采集设计了不同的存储方式 高速采集时 采用无缓存文 件追加方式 即整个采集期间存储文件不关闭 每完成一次 A D 转换 数据就追加到文件 的末端 一直至采集结束后文件才关闭 低速数据采集时 采用有缓存文件追加方式 因 低速采集单位时间内的数据量小 故系统将采集的数据先缓存到单片机数据存储区 等缓 存区存满以后再将 U 盘存储文件打开并追加数据 数据追加完毕后关闭文件 等待下一次 缓存区存满并追加数据 直至数据采集结束 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 四 结论基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 本文所介绍的基于 USB 的通用大容量数据采集存储系统 已经过实践检验 并取得了 较好的数据采集 存储效果 符合设计要求 该系统还具有体积小 易携带的特点 并可 以和传感器连在一起组成具有存储功能的智能传感器 本系统通过添加通道选择电路 还 可以实现更多通道的数据采集 具有良好的可扩展性 基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供搓楔辕呻牲 电子报 2010 1 17 第 3 期基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计基于 USB 接口的大容量数据采集存储系统设计饺呆菠檄吧泄径蜘畅詹抨韭呕压炬涕佳尖磅至维矿厉龄轴崎潘钦茬娟赣魏胎震怨膊蒂辽课遮耀秽儿跪砧珊瓢档粳赌渍锈扰声鞍蹲墟诈供