基于USB数据采集系统设计

1、基于基于 USBUSB 的数据采集系统设计的数据采集系统设计 摘摘 要要：本文针对高速数据采集器的需要，设计了基于 USB 的数据采集器。设计工作 包括硬件设计和软件设计两部分，硬件部分本系统选用了 ATMEL 公司的单片机 AT89C5131 作 为微控制器，负责接收由 A/D 转换得到的数字量数据，并通过其内置的 USB 控制器实现单片 机和 PC 机之间的 USB 数据通信。AT89C5131 是 ATMEL 公司推出一款新型带有 USB 微控制器 的芯片。有较快的处理速度和较大的存储容量,有在系统可编程的功能,是 USB 接口设计的理 想选择。 关键词：关键词：数据采集，USB，A/D

2、，AT89C5131， Abstract: In this paper, the need for high-speed data acquisition system designed USB-based data acquisition. Design, including hardware design and software design in two parts, hardware parts of the system selected as the ATMEL Corporation AT89C5131 microcontroller microcontroller to re

3、ceive the A / D conversion by the digital data, and through its built-in USB Controller Between the microcontroller and PC, USB data communication. ATMEL AT89C5131 is a new company launched with a USB micro-controller chip. A faster processing speed and large storage capacity, there is in-system pro

4、grammable functions, is ideal for USB interface design. Keywords: data acquisition，USB，A/ D, AT89C51, LED 目录目录 1 1 前言前言1 2 2 整体方案设计整体方案设计2 2.1 方案比较2 2.2 方案选择3 3 3 单元模块设计单元模块设计3 3.1 元器件选择3 3.2 特殊元器件介绍3 3.2.1AT89C5131 介绍3 3.2.2 ADC0809 介绍4 3.3 单元模块功能介绍5 3.3.1 AT89C5131USB 接口电路5 3.3.2A/D 转换接口电路6 3.3.3

5、外接存储器接口电路 9 3.3.4 系统外围电路模块 11 4 4 软件设计软件设计11 4.1 固件程序设计11 4.2USB 设备驱动程序设计13 5 5 结论结论14 参考文献参考文献15 附录 1：电路总图16 1 前言前言 现代工业生产领域和科学研究中往往都需要采集数据，并对采集到的数据进行分析和处 理。随着科技的发展特别是计算机技术的逐渐成熟，数据采集器的应用已经非常广泛，同时 对于数据采集的要求也越来越高，特别是在一些高实时性要求（如动态图像数据实时传输） 的场合，往往需要进行高速数据采集才能保证数据传输的准确性。在数据采集系统得到广泛 运用中大多采用 RS232 接口，它不适合

6、于便携式应用场合。 USB（通用串行总线，Universal Serial Bus）近年来开始在计算机外设中得到普及， 并逐渐成为计算机标准外设，它的出现使传统数据采集的问题可以得到很好的解决。相对于 传统的串行、并行接口，USB 的优势在于：即插即用，支持热插拔；传输速度快，USB2.0 提 供最高达 480Mbps 的传输率；最多可连接 127 个设备；电源可从计算机或集线器获得，不需 要外加电源。USB 设备在 PC 领域的应用目前已经非常普遍，如 USB 数码照相机、USB 摄像头、 USB 打印机等；而考虑到 USB 的各种优势，基于 USB 总线的数据采集器也正逐渐成为工控领 域的

7、应用热点。目前国内外都已开发出了一些成熟的 USB 数据采集设备产品，可见基于 USB 的数据采集器具有广阔的应用前景，因此本课题的研究具有现实意义。 本文针对高速数据采集器的需要，设计了基于 USB 的数据采集器。设计工作包括硬件设 计和软件设计两部分，硬件部分本系统选用了 ATMEL 公司的单片机 AT89C5131 作为微控制器， 负责接收由 A/D 转换得到的数字量数据，并通过其内置的 USB 控制器实现单片机和 PC 机之 间的 USB 数据通信。AT89C5131 是 ATMEL 公司推出一款新型带有 USB 微控制器的芯片。有较 快的处理速度和较大的存储容量,有在系统可编程的功能

8、,是 USB 接口设计的理想选择。 2 2 整体方案设计整体方案设计 2.12.1 方案比较方案比较 方案一： USB 传输的主要特点是传输速度快，因此 USB 数据采集系统主要是应用于大 量数据的高速采集。实际应用中，往往同时需要对多个外设的多路数据进行采集，因而对数 据传输的实时性要求较高，USB2.0 的出现使这种高速数据传输已成为可能。本系统在实际 应用中的硬件设计框图如图 1 所示。 系统中外设 1外设 n 具有多路数据需要进行同步采集（数据信号可能包括电压、电流、 声音、图像等各种模拟信号） ，因而需要选用能对多路数据进行同步采样的 A/D 转换器将这 些模拟信号转换为数字信号。该

9、芯片能对最多 8 路模拟输入信号进行同步 A/D 转换，且分辨 率达到 14 位，完全能满足对多路数据同步采集的要求。转换得到的数据送入主控制器，再 通过 USB 控制器芯片使这些数据可通过 USB2.0 的高速传输送到 PC 机中。控制器芯片可选择 位数较高（16 位/32 位）的 MCU/DSP，从而能满足多路并行数据的输入。 在此方案中 USB 控制芯片选用 AT89C5131 单片机芯片，它是 ATMEL 公司的。AT89C5131 为内置 USB 控制器的 8 位单片机，定位于计算机和工业 USB 系统中 图 1 硬件设计框图 方案二：基于 USB 接口的数据采集系统硬件部分由多路开

10、关、A/D 转换器、微控制器、 USB 接口芯片、主机组成。运用的芯片为 AT89C52。系统中的多路开关和 A/D 采用传统方法 设计，微控制器和 USB 接口芯片分别采用 ATMEL 的 AT89C52 和 Philips 公司的 PDUSBD12 实 现. AT89C52 的 ALE 和 D12 的 ALE 相接，表示采用单独地址和数据总线配置。USB 设备固件 程序采用单片机 C 语言来写，用户通过主机应用程序调用 Windows API 函数,将请求下发到 驱动程序,由驱动程序构造 USB,通过 USBD 类,下发到微控制器。微控制器根据 USB 接口芯片 触发的中断类型和用户传来的

11、命令,进入到相应的中断服务程序进行数据采集。经过 A/D 转 换后再重新打包由 USB 接口芯片通过 USB 接口发送给主机 ,从而完成整个采集过程.。 外设 1 外设 2 外设 3 。 。 。 。 。 。 外设 n 多通道同步采样 A/D 芯片 多 路 输 入 信 号 USB 数据采集主控制器 （MCU/DSP 等） USB 控 制器芯片 USB2.0 2.22.2 方案选择方案选择 两方案的不同在于方案一选用的 USB 控制芯片为 AT89C5131，方案二选用的 USB 控制 芯片为 AT89C52。方案一的软件设计包括固件设计、USB 初始化、中断处理程序、请求处理 程序、配置请求、A

12、/D 转换数据程序、USBDI 与 USB 驱动程序等模块组成。方案二的软件设 计流程图如图 2 所示。 图 2 方案二软件流程图 在本次课程设计中我们选用的是方案一，用 AT89C5131 为 USB 的控制芯片。选用此方案 主要是由于 AT89C5131 为一款我们不太熟悉的 51 系列单片机，我们可以通过这次课程设计 来学习一下，接受更多的知识。 3 单元模块设计单元模块设计 3.13.1 元器件选择元器件选择 在本次设计中我们选用的 USB 控制芯片为 AT89C5131，除此之外还要用到 ADC0809、74HC393、非门芯片 74LS00、反相器芯片 74LS04、AT28C64

13、、74HC573 这些器件。 3.23.2 特殊元器件介绍特殊元器件介绍 3.2.1AT89C51313.2.1AT89C5131 介绍介绍 AT89C5131 是 ATMEL 公司的一款带 USB 控制器的 8 位闪存单片机。 下面对 AT89C5131 单片机的主要管脚进行介绍其引脚分布图如图 3 所示： P0、P1、P2、P3 和 P4 口是 I/O 信号引脚。P0 口可作为地址/数据复用总线，作为地址 总线时，P0.0P0.7 上为低 8 位地址；P1.0P1.7 则与键盘接口信号 KIN0KIN7 复用，同 数 据 采 集 系 统 WDM 驱动设备数据分析处理 用户控制界面 USB

14、设备 开始 或停 数据显示 表 格 曲 线 数 据 查 询 数 据 打 印 时 P1.0 和 P1.1 又与 T2 和 T2EX 复用，P1.2 则与可编程计数器队列的外部时钟输入 ECI 复 用，P1.3P1.7 与捕获外部信号输入或比较外部信号输出 CEX0CEX4 复用。P2 口也可以作 为地址线，此时 P2.0P2.7 上输出高 8 位地址。P3 口各引脚均具有第二功能，P3.0 和 P3.1 与串行信号接口 RXD 和 TXD 复用，P3.2 和 P3.3 与外部触发脉冲 0INT 和 1INT 复用，P3.4 和 P3.5 与定时器/计数器 T0 和 T1 复用，P3.6 和 P3

15、.7 则与写信号WR和读信号RD复用；另 外 P3.3P3.7 还与驱动 LED 输出引脚 LED0LED3 复用。P4.0P4.1 分别与 TWI 串行时钟 SCL 和 TWI 串行数据 SDA 复用。 D+和 D分别是 USB 总线正信号 I/O 引脚和负信号 I/O 引脚。本系统中利用 D+和 D两 个引脚与 USB 端口的两根数据线 D+和 D相连，从而实现 USB 数据通信。 RST 是单片机复位信号引脚，ALE 是地址锁存使能信号引脚，只有当读写外部程序存储 器和使用 MOVX 指令时该引脚信号有效。Error!Error!引脚接高电平时芯片是从内部存储器寻址的， 必须接低电平才能

16、使芯片从外部程序存储器起始地址 0000h 开始寻址。 图 3 AT89C5131 引脚分布图 3.2.23.2.2 ADC0809ADC0809 介绍介绍 ADC0809 采用 28 脚双列直插式封装，其引脚功能说明如下： IN0IN7：8 路输入通道的模拟量输入端口。 START、ALE：START 为 A/D 转换启动控制端口，ALE 为地址锁存控制信号端口。这两个 端口可连在一起，通过软件输入一个正脉冲即可启动 A/D 转换。EOC、OE：EOC 为转换结束 信号脉冲输出端口，OE 为输出允许控制端口。这两个端口也可连在一起，表示 A/D 转换结 束。当 OE 端的电平由低变高，打开三

17、态输出锁存器，将转换得到的数字量输出到数据总线 上。 VREF()、VREF()、VCC、GND：VREF()和 VREF()为参考电压输入端；VCC 为主电 源输入端，GND 为接地端。一般 VREF()与 VCC 连接在一起，VREF()与 GND 连接在一起。 CLK：时钟输入端。 ADD A、ADD B、ADD C：8 路模拟开关的 3 位地址选通输入端，用来选择对应的输入通 道。ADC0809 的工作时序如图 8 所示。其中 tWE 为最小 ALE 脉宽，典型值 100ns；tD 为模拟 开关延时，典型值：1 s；tWS 为最小启动脉宽，典型值：100ns；tEOC 为转换结束延时，

18、 最大为 8 个时钟周期：2 s；tC 为转换时间，典型值：100 s。 图 4 ADC0809 工作时序 由图 4 可看出，当送入启动信号 START 后，EOC 有一段时间保持高电平，表示上一 次 A/D 转换结束，在实际应用中容易引起误控。因此，启动转换后在软件上应延迟一段时间 （大于 tEOC）之后再进行查询或开中断。 3.33.3 单元模块功能介绍单元模块功能介绍 此系统设计包括的单元模块有 AT89C5131USB 接口电路、A/D 转换电路、外接存储接口 电路、系统外围电路等。 3.3.13.3.1 AT89C5131USBAT89C5131USB 接口电路接口电路 AT89C5

19、131 单片机具有 USB 接口功能，因而可直接与 USB 端口连接，通过 USB 总线与 PC 机通信。具体 USB 接口电路如图 5 所示。AT89C5131 的 USB 总线正信号 I/O 引脚 D+和负信号 I/O 引脚 D分别与 USB 端口 J1 的两根数据线 D+和 D相连（电阻 R2 和 R3 为可选电阻） ， 再通过 USB 连接线即可与 PC 机的 USB 接口相连进行通信。USB 总线参考电压引脚 VREF 通过 1.5K 的电阻 R1 与 D+相连，从而可以实现软件断开功能。本系统中 PC 机作为 USB 主机， 而 AT89C5131 作为 USB 设备，因而 D+和

20、 D无需连接下拉电阻。单片机的模拟地引脚 AVSS 和数字地引脚 VSS 均接地；而模拟电源引脚 AVDD 和数字电源引脚则连接正电源 VCC，给单 片机提供工作所需电源。 图 5 中还给出了一些其他相关引脚的连接：UCAP 引脚与一个外部电容连接来给 USB 提 供电源。PLLF 引脚作为 PLL（锁相环）低通滤波器的输入引脚，需要与一个 RC 网络（图中 为 R5 和 C3）构成的低通滤波器相连。XTAL1 和 XTAL2 则分别作为反馈元件的片外石英晶体 Y1 及电容 C4 和 C5 一起构成一个自激振荡器，产生单片机工作所需的时钟信号。 图 5 3.3.23.3.2 A/DA/D 转换

21、接口电路转换接口电路 多路输入信号需通过 A/D 转换器转换为数字信号才能进入单片机，本系统选择的 A/D 转 换器是 8 位逐次逼近式 A/D 转换器 ADC0809。该 A/D 转换器是一种单片 CMOS 器件，包括 8 位模/数转换器、8 通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑。ADC0809 片内带有锁存功 能的 8 路模拟多路开关，可对 8 路 05V 输入模拟电压信号分时进行转换。A/D 转换接口电 路如图 6 所示。单片机的 P0 口可分时输出低 8 位地址和数据，为了把地址信息分离出来保 存，需外加地址锁存器（图中为 74HC373） ，并由单片机的地址锁存允许信号 ALE

22、的下降沿 将地址信息锁存到地址锁存器中。经锁存器锁存后的低三位地址 Q0Q2 分别与 ADC0809 的地 址译码引脚 ADDAADDC 连接，以选通 IN0IN7 中的一个通道。ADC0809 与单片机数据总线 P0.0P0.7 相连。 ADC0809 片内无时钟，图 6 中利用双 4 位二进制计数器 74HC393 给 ADC 提供时钟输入。 单片机的 ALE 引脚与 74HC393 的时钟输入端 CLK 相连，计数器的一路输出 Q1 与 ADC0809 的 时钟输入端 CLOCK 相连，ALE 引脚的时钟频率经 74HC393 二分频后提供给 ADC0809 作为时钟 信号。 单片机 P

23、2.7 引脚作为 ADC0809 的片选信号。图 6 中使用了 4 与非门芯片 74ALS00 和 6 反相器芯片 74ALS04 来控制 ADC0809 的启动和输出转换数据。当 P2.71，WR(P3.6)=0 时， 74ALS04 的 6 号脚输出为高电平，将其与 ADC0809 的转换启动端口 START 和地址锁存端口 ALE 连接，在锁存通道地址的同时启动 A/D 转换。当 P2.7=1，RD（P3.7）=0 时，74ALS04 的 8 号脚输出为高电平，将其与 ADC0809 的输出允许引脚 OE 相连，从而允许将转换得到的 数字量数据输出到数据总线上。ADC0809 的正参考电

24、压输入端 VREF()和主电源输入端 VCC 都接5V 电源，而负参考电压输入端 VREF()和接地端 GND 均接地。 图 6 3.3.33.3.3 外接存储器接口电路外接存储器接口电路 AT28C64 与单片机 AT89C5131 的连接电如图 7 所示。单片机 P0 口输出的地址信息经地 址锁存器 74HC373 锁存后送入存储器 AT28C64 的低 8 位地址线 A0A7；同时 P0 口又 AT28C64 的数据线 I/O0I/O7 相连，可分时输出存储的数据。单片机的 P2 口作为高位地址线，由于 P2 口输出具有锁存的功能，因此不必加地址锁存器，可直接与 AT28C64 的高 5

25、 位地址线 A8A12 相连。 单片机PSEN引脚与 AT28C64 的片选端CE和输出允许端OE相连，从而选中外部存储器 并允许从中读取程序指令。单片机的EA接低电平，使单片机执行外部程序程序存储器中的 程序。 换图 7 外接存储器接口电路 3.3.43.3.4 系统外围电路模块系统外围电路模块 系统的外围电路包括：电源电路、复位电路、时钟产生电路、PLL 配置电路。 （1）电源电路。本系统中所有器件均可使用+5V 电源电压，本系统未使用外部电源， 直接利用 USB 总线供电。 （2）复位电路。单片机 AT89C5131 的RST引脚是复位信号输入引脚，本设计采用手动 复位方式，通过按键 S

26、1 来进行复位操作，复位电路如图 8 所示。 （3）时钟产生电路。单片机 AT89C5131 的时钟发生器包括一个内部振荡器和一个锁相 环（PLL） ，所有外部设备以及 CPU 的内核工作所需的时钟信号都是由时钟发生器产生的。外 接晶振的频率本系统选择 12MHz；两个电容则通常选择 20pF30pF 左右。 （4）PLL 配置电路。AT89C5131 的锁相环（PLL）是用来产生和外部低频时钟（外围设 备时钟）同步的内部高频时钟（USB 时钟）的，即 USB 接口所需的时钟信号是由 PLL 产生的。 PLL 的内部结构如图 6 所示，可以看出是一个闭环结构。其中 N3:0 和 R3:0 均位

27、于 PLLDIV 寄存器，各为 4 位。内部振荡器的参考时钟经过 N 分频和反馈回来的 USB 时钟经过 R 分频进 入 PFLD 进行比较并产生合适的输出信号。PLLCON 寄存器的 PLLEN 位用来使能时钟信号的产 生；而当 PLL 被锁定时，PLLCON 寄存器的 PLOCK 位则会被置位，此时输出的时钟信号才是 稳定的信号。PLLF 是 PLL 的低通滤波器连接引脚，需要与一个 RC 网络相连接，电路连接如 图 8 所示。 Osc Clock USB Rdivider Down UP PLLF Ndivider PLLCON.1 PLLEN N3:0PFLDCHPVCO R3:0 P

28、LOCK 图 8 PLL 结构内部结构框图 4 软件设计软件设计 本系统在软件设计上主要包括两部分：固件程序设计、USB 设备驱动程序设计，以下将 分别进行介绍。 4.14.1 固件程序设计固件程序设计 固件是整个 USB 数据采集系统中设备程序设计的重要部分，固件程序的主要功能是让主 机（PC 机）可以检测和识别 USB 设备，一般包括两项任务：（1）实现设备配置并将配置信 息告知主机，为主机和设备之间的通信做好准备；（2）根据用户的特定需求，实现对外围 设备的具体控制。固件程序设计流程图如图 9 所示 Clock N N Y 启动 A/D 转 换 读取数据 N 转换结束？ Y 发送数据给主

29、机 中断程序 开始 初始化 设备枚举 启动采样？ 设置采样频率 上电复位 选择采样通道 数据采集 结？ 图 9 固件程序流程图 由图可知固件设计包括以下几个方面：（1）系统上电复位和初始化。首先通过调用 USB 初始化函数 usb task_init()完成 USB 控制器的使能、PLL 时钟的配置、控制端点 0 的 复位以及其它状态变量的初始化；再通过调用端点使能函数 usb_ep_init()完成系统使用的 USB 端点的配置和复位。 （2）USB 设备的枚举。USB 控制器和 USB 端点完成初始化工作后，固件就会开始对设备 的枚举过程；当端点 0 收到 SETUP 包后，就可以调用枚举

30、函数 usb_enumeration_process() 完成对 USB 设备的枚举，从而主机可获得设备的配置信息并对设备进行配置和分配地址。 （3）数据采集过程。当配置的 OUT 端点收到主机发出的数据采集指令后，先设置好采 样频率并选择采样通道，然后即可对选中通道的数据进行 A/D 转换；转换完成后将数据送入 配置的 IN 端点，当收到主机发出的 SETUP 包后，即可将数据发送给主机。本系统固件设计 使用了定时器中断。 通过固件程序的执行，当 USB 设备（AT89C5131）连接到主机上时，主机能发现并识别 新设备，然后建立连接并完成主机与设备间的数据传输任务。 4.2USB4.2US

31、B 设备驱动程序设计设备驱动程序设计 驱动程序是操作系统中控制和连接硬件的关键模块，它给连接到计算机的硬件设备提供 软件接口。本系统中主机通过 USB 接口与设备的通信也需要通过 USB 驱动程序来实现， Windows 虽然提供了多种 USB 设备的驱动程序，但并没有具体针对数据采集系统的驱动程序， 因此本系统需要针对特定的设备(AT89C5131)来编制 USB 设备驱动程序。Microsoft 为 Windows 定义了设备驱动程序的模型，USB 设备驱动程序也必须遵循该驱动程序模型，即 WDM 分层驱动程序模型。 USB 驱动程序也分为 USB 总线驱动程序和 USB 功能(设备)驱动

32、程序，前者由操作系统提 供，负责与实际硬件打交道；后者需要设备开发者编写，不对实际的硬件进行操作。USB 功 能驱动程序通过创建和发送 URB（USB Request Block）的方式，把命令传递给 Windows 操 作系统所提供的 USB 总线驱动程序，由总线驱动来完成与硬件的直接交互。 USB 设备驱动程序使用 USB 驱动程序接口（USBDI）将 URB 提交到总线驱动程序就可完 成硬件操作。USBDI 位于 USB 设备驱动程序与 USB 驱动程序栈之间，为开发人员提供实现两 者之间通信的接口函数。USB 驱动程序接口与 USB 驱动程序栈的结构如图 10 所示。 图 10USBD

33、I 与 USB 驱动程序栈 Windows 的驱动程序开发软件有很多，通常采用的是 Windows DDK（DeviceDevelopment Kit） 。DDK 是 Microsoft 公司提供的驱动程序开发工具，使用 DDK 直接开发驱动程序属于从 底层开发做起，开发难度较大。为了方便驱动程序开发，目前许多第三方软件厂商提供了各 种各样的生成工具，如 Compuware 公司的 DriverStudio 就是其中效率较高的开发工具，它 USB 驱动程序栈 USBD1 USB 驱动程序接口 USB 设备驱动程序 USB 集线器驱动程序 USB 总线驱动程序 PCI 枚举器 USB 总线 UH

34、CD.SYSOpenHCI.SYS 能够在几分钟之内生成高质量的 USB 驱动程序。 本系统的 USB 驱动程序使用 DriverWorks 开发，DriverWorks 本身包含在 DriverStudio 软件中，它只是对 DDK 例程函数调用的 C+封装。因此使用 DriverWorks 开发驱动程序需要 安装 DDK 和 Visual C+6.0，并在 Visual C+6.0 的开发环境中进行驱动的编写和编译。 在进行 USB 驱动程序开发之前首先要明确 USB 设备的配置和驱动程序实现的功能。在本 系统中，共用到三个 USB 端点：控制端点 0、BULK IN 端点 1 和 BULK OUT 端点 2；而驱动程 序的主要功能是实现对输入和输出端点的读写操作。明确以上信息后，就可通过 DriverWorks 的程序向导生成可以完成对 U