基于USB接口通讯的多传感器数据采集系统_图文_百度文库

1、2008年 第 11期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrum ent T echn i que and Sensor 2008 N o 11 基金项目 :中国电子科技集团公司技术创新基金项目:11-:2008-基于 USB 接口通讯的多传感器数据采集系统宋成艳 1, 袁国庆 2, 李凤玲 1, 傅 巍 1, 李 凯1(1. 中国电子科技集团公司第四十九研究所 , 黑龙江哈尔滨 150001; 2. 哈尔滨飞机工业集团 , 黑龙江哈尔滨 150001 摘要 :基于 U SB 接口通讯的多传感器数据采集系 统以 EZ U SB 控制器为 核心 , 由 EZ U SB 经控 制电路 实现对 模

2、数 转换的控制 , 从而将被测系统中各传感器检测到的 参数通过 U SB 接 口输入 到计算 机并显 示出来 。 系 统硬件 主要采 用以 AN 2131QC 为核心的 USB 接口 电路和以模 数转换器 AD7938为核心的 USB 设备 功能单元电 路 。 系统软件 采用 K eil C51语言编写芯片固 件程序 、 采用 V C+语言编写 U SB 设备驱动程序和 W i n32应用程序 。 关键词 :USB ; 传感器 ; 数据采集中图分类号 :TP368 文献标识码 :A 文章编号 :1002-1841(2008 11-0101-03D ata A cquisition Syste

3、m of Sensors Based on U S B Co mmunicationSONG Cheng yan 1, YUAN Guo qi ng 2, L I Feng li ng 1, FU W e i 1, L I K a i 1(The 49Institu te of Ch i na E l ec tron Sc i ence and Techno l ogy Corporation ,H arb i n A i rcraft I ndu stry Corporati on, H arb i n 150001, Ch inaAbstract :The da ta acqu isiti

4、 on syste m o f sensors based on U SB communicati on took an EZ U SB contro ller as the core . A nd the EZ U SB contro lled A /Dconversi on by its contro l circu it . Thus the para m ete rs detec ted by sensors w ere i m ported to the com pu ter and d i sp l ayed . T he core o fU SB i nterface c i r

5、cu it was AN 2131Q C , and the core o fU SB functi on i ng circu it unit was AD 7938. T he fir mware progra m o f the syste m w as w ritten by K e il C51language and t he USB dri ve r and W i n32appli cation by V C+.K ey word s :U SB ; senso r ; da ta acquisiti on 0 引言随着工业生产的 发展 , 日益复杂和 庞大的系 统需要测 控的

6、 点和参数 越来 越 多 , 导致 数据 采 集系 统 日益 复 杂而 庞 大。目 前 , 建立在单片微型计算机和微电子 技术基础上 的存储测 试技 术已广泛地应用于兵 器测试、 环境 控制、 石 油测井、 生 物、 医 学、 航空、 航天等领域 , 其核心是将 微测试系统 直接放入 被测体 内 , 直接测试被测体在工 作过程中的各种主 要参数 , 将数据存 储起 来 , 将存储的数据 通过计 算机 接口读 出。然而 , 数据 采集 通常 采用 ISA 总 线、 PCI 总 线、 422、 485等 接口形 式的 A /D采集 卡 , 这种板卡不仅安 装麻 烦 , 且易受 计算 机插槽 数量

7、和地 址、 中断 资源的限制。为了解决日益增加的 PC 外设 与有限的主 板插槽 和端 口之 间的矛 盾 , Intel 、 DEC 、 M i croso ft 等公司 联合 提出 一种 新的串行总 线接口 规范 U SB 串行 通信 标准 1。 于是 提出 了一种基于 U SB 接口通讯的 多传感 器数据采 集系统 的完 整解 决方案。1 系统总体设计及功能在微处理器和 U SB 控制器的设计有 2种方式可供选用 :一 种普通的单片机加上 专用的 USB 通信芯片组成 ; 另一方 式是采 用具有 U SB 通信功能的单片机。前一种方式 , U SB 通信 芯片只 处理与 U SB 相关的通

8、信工作 , 而且必须由外部微处理器 对其控 制才能正常工作 , 这些芯片必须提供 一个串行或 并行的数 据总 线与微处理器 进行连 接。此外 , 还 需要 一个中 断引 脚 , 当 数据 收到或发送完 , 这个 中断 引脚会 向单 片机发 出中 断请 求信 号。这种方式硬件电 路比 较复杂 , 维 护不 方便 , 因此 采用 具 有 U SB 通信功能的单片机。系 统的原 理框图如 图 1所 示 , 它主 要由 6部分组成 :具有 U SB 通信功能的微处理器、 A /D转换电路、 电源 转换及管理、 存储器电路、 各种 传感器的输 出信号、 计算 机。系 统硬件电路主要芯片 为 AN 213

9、1Q C 和 AD7938。系 统软件 分为 3个模块 :采用 K eil C51语言编写 AN 2131Q C 的芯片固件程序 、 采用 V C+语言编写 U SB 设备驱 动程序 及采用 VC +语言 编写 W i n32应用程序。图 1 系统原理框图系统可实现如下功能 :使用内部 U SB 接口提 供的 +5V 电 源 , 并具有供电指示灯 ; 采用全速 块传输 ; 具有模数 转换指 示功 能 , 实时显示所采集到的波形 , 并 可进行保存 和回放 ; 系统 的采 样频率可调 (由 AN 2131QC 控制 , 输入信号幅度范围为 0+5V; 可读取该采集卡的 U SB 设备描述符和配置

10、描述符。 2 系统硬件设计基于 U SB 接口通 讯的多传感 器数据 采集系 统的 硬件 分为102Instru m ent T echn i que and SensorN ov 2008两大部分 :以 AN 2131Q C 为核心的 U SB 接口电路和以模 数转换 器 A D7938为核心的 U SB 设备功能 单元电路 , 部 分详细电 路图 如图 2所示。AN 2131QC 是基于 U SB1. 1的外 设 通信 控制 芯 片 , 主要 特 点 :四时钟周期的 8051内核 ; 2个 快速存 储器 到存储 器的 数据 传送指针 ; 扩展的中断 , 包含有 多个 U SFB 数据传输中

11、断 ; 8k 内 部 RAM, 用于存放程序和数据 , 支持外 部存储器 ; 灵活的固件程 序升级 ; 32个输入输出管道 , 其中同 步传输支持 1024B 长度数 据传输 ; 多种固件程序引导方式 , 方便的固件程序升级办法。 AD 7938包含 了采 样 /保持 及 A /D转换 , 8通 道模 拟输 入 , 12位转换精度 , 能够满足 多传感器 多输出 的特 点 ; 数 据的 总吞 吐率高达 1 5M bps , 平均每通 道采样率高 达 600kbps ; 低噪 声、 宽带的差分跟踪保持 电路 , 处理 的输入 信号频 率能达 50MH z ; 快速的系统响应时间 , 转换时间 5

12、24ns , 跟踪保 持采样时 间 125ns. 图 2 系统硬件设计的部分详细电路图3 系统软件设计 3 1 芯片固件 程序设计 U SB 控制芯 片 AN 2131Q C 的固 件程 序控 制整 个硬 件系 统 的运行 , 并负责处理 PC 机发来的各种 U SB 设备 请求 , 以完成它 们之间的数据传输。系统固件 程序采用 K e il C51语 言编写 , 在 AN 2131Q C 内置的 8051内 核中 运 行 , 实现 对 该 芯片 功 能的 控 制。代码可以固化在 ROM 内 , 也 可通过 USB 总 线从主机 下载 到内部 RAM, 这样更易于 修改、 调试和 更新。芯片

13、 上电后 自动 完成列举过程 , 完成列举后便可作为一个缺省 U SB 设备 与计算 机通讯 , 此 时 即 可 进行 固 件 下 载。下 载完 后 , 8051内 核 脱 离 RESET 状 态开始执 行代码。可以 通过固件对 U SB 设备 进行重 列举。固件主程序实现流程图 如图 3所示。该程序首先初始 化所有的内部状态变量 , 然后调用 TD _Init( 函数对固件的 全局 状态变 量进 行初 始化 (主 要包 括 PA, PB 和 PC 的初始 化以 及其 它用 到的 寄存 器的 初始 化 , 并 打开 中 断。之后 , 固件程序开始列举 U SB 设备 (调用 U sb D is

14、connect( 函数 , 直至在端点 0上接 收到 SETU P 令牌包 时为止。一 旦接 收到 SETU P 令牌 , 其将重复执行下面的任务分配过程 :(1 调用函数 TD _Poll( , 以完成用户指定的任务 ; (2 判断是否有 U SB 设备请求 (SETU P 令牌 。如果有 , 则 调用 P arseContro l_T ransf e r( 函数进行相 应的处 理。如果没 有 , 则继续向下执行。(SB TD Suspend(, 交由用户处理。在 TD _Suspend( 返回真值后 , 它将 调用 EZU SB_Susp( 函 数 , 以 使 8051处于 空闲 状态。这

15、 时 , 只 有 U SB 总线活动或芯片 W AKEU P #管脚活动 , 才可能将 8051重 新激活 ;(4 8051被激活 后 , 固件 程序 将首 先调 用 EZ U SB _Resu m e ( 函数 , 使 8051从空闲 状态中 恢复出来 , 然 后再调 用 TD _Re sume( 函数处理用户指令 2。图 3 固件主程序流程图3 2 U SB 驱动程序设计在 W i ndow s 体系下 , W in32应用程序、 USB 设备驱动程序和 U SB 外部设备的层次结 构如图 4。 在此层 次结 构中 , U SB 总线驱动程序由操作系统 提供 , 管理 U SB 总线 的各

16、种 命令 , 直 接对 U SB 控制器硬件操作。 U SB 设备驱 动程 序通 过 U SB 总线 驱动 程序与 U SB 设备通讯 , 所有 U SB 命令、 读写 操作通 过总线 驱动 程序转发给 U SB 设 备 , 因此 USB 设 备驱 动程 序不 具体 对硬 件 编程 , 但必须定义与 外部设 备的 通讯接 口和 通讯 的数据 格式 , 也必须定义与应用程序的接 口。在具体应用 中 , 通 过编制 上层 应用程序 和 设备 驱 动程 序 (它们 运 行在 上 位 机中 来 实现 对 U SB 设备的控制和数据的传输 3。图 4 USB 设备 、 驱动程序 、 应用程序的层次结构3

17、 3 W i n32应用程序设计W i n32应用程 序主要负 责读取系统 硬件所采 集的数据 , 并 实时显示波形。表 1列出 了系 统界面 包含 的主要 控件 及其 实 现的功能。按下 启动 ! 按钮 , 首 先调 用 U sb O penD river( 打开 指定 的 U SB 设备 ; 然后向 AN 2131QC 的块端点 OUT 7发送数据 0x l A , 以 器 模 数 转 换 方 波 信 号 ; 之 后 复 管 道 8第 11期 宋成艳等 :基于 USB 接口通讯的多传感器数据采集系统 103(I N 2, 准备接收数据 , 最后调 用 _begi n t hread( 函数

18、 启动 接收 数据线程。 该线 程循 环向 管道 8发 出 I OCTL _EZUSB _BULK_ READ 请求读取系统硬件所上 传的数 据 , 如 果返回 的数据 长度 为 512, 则说明读 取数 据 成功 , 这 时 激活 画图 区 域 , 画出 图 形。 按下 停止 ! 按钮 , 首先设 置全局 变量 g _K eep G o i ng 为 F alse , 以 结束接收数据 线程 ; 然后 撤消管道 8; 最 后向块端点 OUT 6发送 数据 Ox l B , 以关闭定时器 0, 停止方波输出 4。表 1 W i n32应用程序中主要控件的功能控件名称 功能设备描述符按钮 读取

19、USB 描述符按钮启动按钮 启动 AD 转换保存按钮 保存按钮清除列表按钮 清除列表按钮的内容退出按钮 结束 W i n32应用程序列表框 显示各种数据信息配置描述符按钮 读取 USB 配置符按钮停止按钮 停止 AD 转换回放按钮 显示以前所保存的波形关于按钮 显示关于信息画图区域 显示所采集的波形 4 结束语基于 U SB 接口 通讯 的多 传感 器数 据采 集系 统 , 通过 U SB 接口将被测系统中各传感器检 测到的参数 输入到计 算机 , 并显 示出来。设计了系统的软件 , 并制作了 系统的 硬件电路 。由于 采用 U SB 接口 , 使数据采集 卡可以 即插即 用 , 弥 补了 传

20、统 采集 卡插拔困难的不足。参考文献 :1 马敬东 , 陈明方 . 基于 USB 串口通信数据采集技术的实施 . 仪表技 术与传感器 , 2007(2:85-88.2 朱正为 , 郭玉英 . 利用 USB 接口实 现数据采 集 . 西南科技 大学学 报 , 2006(2:62-65.3 邓飞 . USB 设备驱动程序设计 . 湖南科技学院学报 , 2006(11:217 -219.4 焦斌亮 , 韩志学 . 基于 EZ-USB FX2实现的 高速数 据采集 系统 . 仪表技术与传感器 , 2005(7:67-70.作者简介 :宋成艳 (1982 , 助理工程师 , 硕士研究生 , 研究方 向是

21、传感 技术与智能控制。 E m ai:l s ongchengyan2000163. co m(上接第 100页 输入电压恒定不 变 , 则输 出电流 也恒 定不变 , 此 时的 电压 一电 流变换器就是 恒流 源电路。 原理方 框图 如图 5所 示。该 系统 采用的恒流电路 如图 6所示 , 图中三极管 U1作为调整管 , 调节电位器 R 4 可以获得不同量值的输 出电流 , 电阻 R2为恒流 源的开路保护电阻 , 以保证恒流源输出开 路时不会损 坏运算放 大器 和调整管。3 3 A /D转换电路的选择与设计热敏电阻通过一 恒流源得到的电压信号为模拟量信号 , 必 须将其转换成数字量才能被单片 机采集、 分析、 计算 , A