低轼耗数据采集系统的USB接口设计

1、低轼耗数据采集系统的USB接口设计        引言    实现系统运行的最小功耗是现代电子系统的普通取向，也是绿色电子的基本要求。采有最小功耗设计方法既能减少电子设备的使用功耗，又能减少备用状态下的功率消耗。在节省能源的同时还有利于减少电磁污染，有利于电子系统向便携式方向发展，有助于提高系统的可靠性。    现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。在许多场合要求数据采集系统向便携化方向发展，要求系统具有体积小、功耗低、传输速

2、率快、使用方便灵活等特点。在数据采集系统中，如何节省电能以使系统工作时间更长，如何通信才能使系统数据传输速度更快，已经成为系统开发过程中必须加以考虑的主要内容。    微控制器MSP430的超低功耗技术在众多单片机中独树一帜，同时它具有集成高度等特点，因此，选用该控制器作为系统的主控制器，实现数据采集和Flash存储等功能。此外，USB端口与以往的普通端口（串口与并口）相比具有传输速度快、功耗低、支持即插即用、维护方便等优点；因此在通信设计时，结合UART转USB芯片CP2101以实现USB接口通信。上述设计既利用了MSP430的超低功耗特性，又利用了C

3、P2101设计USB接口的简便性，设计得到的数据采集系统可以实现便携化、低功耗、使用方便等目标。    1 MSP430数据采集系统的USB接口设计    11 采信系统简介    本系统实现多路数据的采集、Flash存储及USB通信等功能。单片机系统主要完成信息采集、A/D转换、对信号进行放大滤波处理、数据通信、Flash存储等；实时时钟记录采集数据的时间；CP2101实现USB接口，并把单片机采集到的信号传给微机；微机完成数据接收、存入数据库、数据处理、计算、显示等功能。

4、    12 超低功耗MSP430微控制器    MSP430是TI公司近几年推出的16位系列单片机。它采用最新的低功耗技术，工作在1.83.6V电压下，有正常工作模式（AM）和4种低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4）；在电流电压为3V时，各种模式的工作电流分别为AM：340A、LPM1：70A、LPM2：17A、LPM3：2A、LPM4：0.1A，而且可以方便地在各种工作模式之间切换。它的赶低功耗性在实际应用中，尤其是电池供电的便携式设备中表现尤为突出。在系统初始化后进入待机模式，当有允许的中

5、断请求时，CPU将在6的时间内被唤醒，进入活动模式，执行中断服务程序。执行完毕，在RETI指令之后，系统返回到中断前的状态，继续低功耗模式。    本设计采用MSP430F13X微控制器。它具有非常高的集成度，单片集成了多通道12位A/D转换、PWM功能定时器、斜边A/D转换、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口、大容量的片内RAM和ROM以及Flash存储器。其中Flash存储器可以实现掉电保护和软件升级。    13 USB接口芯片选型   &#

6、160;通用串行总线USB是由Intel等厂商制定的连接计算机与具有USB接口的多种外设之间通信的串行总线。传统上，USB接口的开发较为复杂。在同其它USB接口芯片相比较之后，本设计选择了无需外部元件的UART转USB芯片CP2101。选择这种接口芯片，可使USB通信接口设计变得十分容易。与同类产品相比，CP2101具有以下优点：    具有较小的封装。CP2101为28脚5mm×5mm MLP封装。这在PCB上的尺寸就比竞争对手小30%左右。    高度成度。片内集成512字节EEOROM（用于存储厂家

7、ID等数据），片内集成收发器、无需外部电阻；片内集成时钟，无需外部晶体。    低成本，可实现USB转串口的解决方案。CP2101的USB功能无需外部元件，而大多数竞争者的USB器件则需要额外的终端晶体管、上拉电阻、晶振和EEPROM。具有竞争力的器件价格，简化的外围电路，无成本驱动支持使得CP2101在成本上的优势远超过竞争者的解决方案。    具有低功耗、高速度的特性，符合USB2.0规范，适合于所有的UART接口（波特率为300bps921.6kbps）。工业级温度范围为-4085）。  

8、  2 USB通信的硬件接口电路    硬件电路如图1所示。CP2101的SUSPEND与SUSPEND引脚接到MSP430F13X的普通串口上。这两个引脚传送USB挂起和恢复信号，此功能便于CP2101器件以及外部电路的电源管理。当在总线上检测到挂起信号时，CP2101将进入挂起模式，可以节省电能。在进入挂起模式时，CP2101会发出SUSPEND与SUSPEND信号。为了避免SUSPEND与SUSPEND在复位期间处于高电平，使用10k的下拉电阻确保SUSPEND在复位期间处于低电平。    

9、;CP2101的USB功能控制器管理USB和UART间所有的数据传输，以及由USB主控制器发出的命令请求以及用于控制UART功能的命令等。CP2101的UART接口处理所有的RS232信号，包括控制和握手信号。CP2101的VBUS与VREGIN引脚必须始终连到USB的VBUS信号上。在VREGIN的输入端加去耦电容（1F与0.1F并联）。CP2101与单片机接口是标准UART电平，与计算的USB端口连接是USB标准电路，因此，无论与3V还是5V供电的单片机连接都不需要电平转换。3 USB通信接口的软件程序设计    USB接口程序设计包括三部分：单片机

10、程序开发、USB设备驱动程序开发、主机应用程序开发。三者互相配置才能完成可靠、快速的数据传输。其中USB设备驱动程序Cygnal公司已经提供。这里所要编写的是剩下的两部分。一部分为单片    #include "msp430x13x.h"    /*串口*/    void send_byte(char sdata)    TXBUF0=sdata; /*发送数据缓存（UTXBUF0）*/  &#

11、160; while(IFG1 & TUXIFG0)=0);/*目的操作数位测试，发送中断标志*/        /*main*/    void main (void)    char a;    uint a=0x0055;    WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;/*停看门狗，WDTCTL看门狗寄存器*/  

12、;  UCTL0=CHAR；/*8位接收控制寄存器URCTL线路空闲u24322异步u26080无反馈8位1位停止位u26080无校验位*/    UTCTL0=SSEL0；/*发送控制寄存器UTCTL0，UCLK=ACLK时钟*/    UBR00=0x0D;/*32Kb/2400b=13.65，波特率选择寄存器*/    UBR10=0x00;/*高字节*/    UMCTL0=0x6B; /*调节*/ 

13、;   ME1|=UTXE0+URXE0；    /*开USART0 TXD/RXD接收/发送允许*/    IE1|=URXIF0；/*打开USART0 RX接收中断允许位*/    P3SEL|=0x30;/*P3.4,5=USART0 TXD/RXD,选择外围模块功能*/    P3DIR|=0x10;/*目标操作数置位，P3.4=1，输出模式*/    _EI

14、NT();/*开中断*/    /主循环    for(;)    send_byet(a+);        3.2 USB设备驱动程序的安装    当把开发板接到主机的USB端口时系统会提示发现新硬件，并要求安装驱动程序：    先安装CP2101的驱动程序CP2101_Drivers.exe到C：Filesto

15、RS-232 Bridge Controller.    完成上面两步的安装后，在系统的设备管理器中会看见CP2101虚拟的那个COM口。在以后的设计中就是对这个口进行操作。此时可能应用串口调试助手调试下位机程序，接收发送数据。    33 主机应用程序设计    主机应用程序的编写使用VC+编译环境中的API（应用程序设计接口）函数实现。应用程序的设计方法与串口编程类似。首先必须查找设备并打开设备的句柄，然后进行读写和控制操作，最后是关闭设备句柄。为了提高效率，可使用多线程

16、技术实现读写。具体步骤如下：    把CP2101的动态链接库CP2101.DLL文件拷贝到,或者路径下。当程序运行时就能调用CP2101.DLL。            在VC+里进行编程，用API功能函数对USB堆栈、CP2101的EEPROM及数据传输的通信协议等进行编程。    当数据传输完毕时，应用CP2101_Close()函数关闭设备句柄。可以根据实际应用修改CP2101的VID和PID，并用相应函数写进CP210