【導(dǎo)讀】基于USB總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)。隨著操作系統(tǒng)全面的支持USB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)USB的應(yīng)用正得到突飛猛進(jìn)。展本文所要論述的正是如何使用USB這一總線形式來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系。文中首先介紹了USB20規(guī)范USB總線的基本結(jié)構(gòu)和特。輸類(lèi)型和總線協(xié)議USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成以及特點(diǎn)然。數(shù)據(jù)采集卡對(duì)USB總線接口電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述并。所用的芯片和電路進(jìn)行了分析最后運(yùn)用電子設(shè)計(jì)軟件PROTEL99SE繪制出。各個(gè)主要模塊的芯片圖和數(shù)據(jù)采集卡的電路原理圖。把數(shù)據(jù)采集器和USB總線結(jié)合充分發(fā)揮USB總線的優(yōu)勢(shì)必將成為數(shù)。采集系統(tǒng)的一個(gè)新的發(fā)展方向。第三章數(shù)據(jù)采集卡整體方案的設(shè)計(jì)7. 3．1USB系統(tǒng)整體方案的選擇7. 3．3．1幾款典型USB控制器芯片性能分析9. 3．3．2USB芯片選擇的其它相關(guān)因素10. 4．3．3USB接口電路設(shè)計(jì)19. 5．1USB接口軟件設(shè)計(jì)25. 用范圍越來(lái)越廣USB作為一種新型接口技術(shù)目前有2個(gè)版本的規(guī)范其中。前調(diào)制傳感器信號(hào)包括對(duì)其進(jìn)行增益或衰減和隔離等相應(yīng)的系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)據(jù)

　　

【正文】 定的地方加入自己的功能相關(guān)的代碼即可開(kāi)發(fā)極為方便 其內(nèi) 部框圖 [17]如圖 47 所示其具體功能包括 18 基于 USB 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) 圖 47 CY7C68013 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 1 內(nèi)置 USB 20 收發(fā)器和串行接口引擎 SIE 2 帶有增強(qiáng)的 8051 內(nèi)核最大頻率可設(shè)為 48MHz 帶有兩個(gè)通用異步收 發(fā)器三個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器 和兩個(gè)數(shù)據(jù)指針并可支持外部中斷 3 可通過(guò) USB 下載程序也可通過(guò)從外部擴(kuò)展的 EEROM 下載程序 4 具有 8bit 或是 16bit 的外部數(shù)據(jù)接口 5 帶有集成的 4KB 的 FIFO 6 具有 40 個(gè)通用 IO 引腳采用 33V 工作電壓 4 ． 3 ． 3 USB 接口電路設(shè)計(jì) 為擴(kuò)展以后的需要本硬件電路的原理圖設(shè)計(jì)采用 Slave FIFO 模式連線 這也是以后要改進(jìn)的地方 FX2 的 Slave FIFO 模式即從屬模式外圍電路可像對(duì)待普通 FIFO一樣對(duì) FX2 中端點(diǎn) 2 端點(diǎn) 4 端點(diǎn) 6 和端點(diǎn) 8 的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)而且通常不需 要 FX2 的 CPU 的參與外部邏輯器件 如 MCU FPGA 等 可為這些端點(diǎn) FIFO 提供所需的時(shí)序信號(hào)握手信號(hào) 包括 fullemptyprogrammablelevel 讀寫(xiě) 信號(hào)和輸出允許信號(hào)等 Slave FIFO 模式的優(yōu)點(diǎn)在于傳輸速率高 [18]采用Slave FIFO 模式所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集板其數(shù)據(jù)傳輸率實(shí)測(cè)可 達(dá)到 35MHz 19 基于 USB 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) 圖 48 Slave FIFO 模式下 CY7C68013 的接口設(shè)置 CY7C68031 的主要引腳功能如下 AVcc 模擬電壓 AGND 模擬接地 DMINUS USB 負(fù)信號(hào)端口 DPLUS USB 正信號(hào)端口 A0A15 8051 地址總線 INT4 中斷輸入請(qǐng)求高位有效 INT5 中斷輸入請(qǐng)求低位有效 XTALIN 晶體輸入連結(jié)晶振 XTALOUT 晶體輸出連結(jié)晶振 CLKOUT 輸出 122448MHZ 的時(shí)鐘信號(hào) WAKEUP 喚醒端如果 8051 處在被中斷暫停狀態(tài)喚醒芯片 4 ． 4 其他應(yīng)用芯片介紹 4 ． 4 ． 1 定時(shí)器計(jì)數(shù)器 8254 INTEL 公司 8254 可編程定時(shí)器計(jì)數(shù)器片內(nèi)含有三個(gè)獨(dú)立和通道見(jiàn)圖 49 各個(gè)通道均為 16 位的計(jì)數(shù)器其計(jì)數(shù)速率可達(dá)到 8MHz 一個(gè)具有三態(tài)雙 向的 8 位數(shù)據(jù)總線緩沖器為 8254 芯片提供與系統(tǒng)總線相接口的能力它在讀 20 基于 USB 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) 寫(xiě)邏輯的控制下接收來(lái)自系統(tǒng)總線的命令和數(shù)據(jù)并將 8254 的狀態(tài)字送上系統(tǒng) 總線其引腳如圖 410 所示 圖 49 8254 結(jié)構(gòu)圖 圖 410 8254 引腳圖 21 基于 USB 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) 1 8254 的主要特點(diǎn)有 3 個(gè)獨(dú)立計(jì)數(shù)通道 每個(gè)計(jì)數(shù)器都可以有 2 種計(jì)數(shù)方式 每個(gè)通道有 6 種工作方式可編程設(shè)定 支持 3 種讀命令簡(jiǎn)單讀鎖存讀讀回讀 2 8254 與 CPU 的接口引腳 D0D7 三態(tài)雙向數(shù)據(jù)端 WR 寫(xiě)信號(hào)低電平有效 DR 讀 信號(hào)低電平有效 A0 Al 接口寄存器選擇輸入端 CS 片選輸入期 3 8254 計(jì)數(shù)器接口引腳 CLKO2 時(shí)鐘輸入端用于輸入定時(shí)脈沖或計(jì)數(shù)脈沖信號(hào) GATEO2 門(mén)控信號(hào)輸入端用于啟動(dòng)和禁止計(jì)數(shù)器的操作 OUTO2 輸出端當(dāng)計(jì)數(shù)器完成規(guī)定的計(jì)數(shù)操作時(shí) OUT 輸出相應(yīng)的信 號(hào) 4 ． 4 ． 2 計(jì)數(shù)器分頻器 CD4040 12 位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)分配器 CD4040 工作頻率小于 12MHZ 屬于低頻 電源電壓為 515V 是低功耗數(shù)字 CMOS 數(shù)字環(huán)芯片 CD4040 的內(nèi)部框圖及 管腳功能見(jiàn)圖 411 22 基于 USB 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) 圖 411 CD4040 的內(nèi)部框圖及管腳功能 Q1Q12 輸出端輸出信號(hào)為二進(jìn)制 Cr 清零端高電平有效 Vdd 電源 Cp 脈沖輸入 Vss 接地端 4 ． 5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)混合地系統(tǒng)其模擬信號(hào)部分是精密 的信號(hào)調(diào)理電路其中分辨率的 12 位 ADC 對(duì)應(yīng)的 1LBS 的模擬電壓為 14096 V 而其數(shù)字信號(hào)部分是系統(tǒng)的其它邏輯電路以脈沖工作形式的數(shù)字信號(hào) 數(shù)字信號(hào)幅度大頻譜寬是一個(gè)重要的干擾源地線噪聲會(huì)達(dá)到幾十 mV 甚至上百 mV 如果接地不當(dāng)接線不良數(shù)字噪聲會(huì)嚴(yán)重影響模擬信號(hào)部分 的精度或產(chǎn)生跳碼同時(shí)除了內(nèi)部干擾在工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合外部干擾同 樣存在影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 23 基于 USB 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) 良好的布 線和接地能夠提高系統(tǒng)的搞干擾能力本系統(tǒng)中采用模擬地和數(shù) 字地分離的方法減少地線帶來(lái)的干擾同時(shí)在進(jìn)行 AD 芯片選擇時(shí)選擇了 AD 公司的 AD1671JQ 芯片抗干擾能力強(qiáng)在放大電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中選用了 BURRBROWN 公司的 INA111 儀表放大器信號(hào)差分輸入 除了硬件抗干擾之外軟件抗干擾的設(shè)計(jì)也是必要的由于采用了高速的 AD 和 FIFO 緩沖器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度較快采集單元進(jìn)行必要的軟件濾 波在時(shí)間上是完全可行的具體的濾波實(shí)現(xiàn)方法可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要來(lái)確定 24 基于 USB 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) 第五章 數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)計(jì) 5 ． 1 USB 接口軟件設(shè)計(jì) 5 ． 1． 1 CY7C68013 固件程序源代碼分析 Cypress 提供的固件程序中 c 源文件有 wr 匯編源 文件有 dscra5lUSBJ 庫(kù)文件有 Ezusblib[19] l 固件主程序 fwc 分析 fwc 是固件運(yùn)行的主程序文件負(fù)責(zé)處理主機(jī)發(fā)出的各種 USB 設(shè)備請(qǐng)求 里面包含著 mian 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)的代碼程序首先是全局變量的初始化如下 初始化全局狀態(tài)變量 Sleep FALSE 使睡眠狀態(tài)無(wú)效 Rwuen FALSE 使遠(yuǎn)程喚醒無(wú)效 Selfpwr FALSE 使自供電無(wú)效 GotSUD FALSE 清除得到裝載數(shù)據(jù)標(biāo)志 然后初始化設(shè)備如下 初始化用戶設(shè)備 TD_Init USB 的描述符的定位代碼因?yàn)闆](méi)有外部程序存儲(chǔ)器描述符重定位代 碼設(shè)備描述符重新定位以后 CY7C68013 循環(huán)調(diào)用源代碼如果有 Setup 包 則執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)否則執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送函數(shù)如下 While TRUE 主循環(huán) if GotSUD 等待 SUDAV SetupCommand 指向 setup 指令 GotSUD FALSE 清除 SUDAV 標(biāo)志位 TD_Poll 2 用戶定義功能程序 wr_usbc 分析 下面分別介紹主程序中的兩個(gè)函數(shù) TD_Init 函數(shù)和 TD_poll 函數(shù) ① TD_Init 函數(shù) 25 基于 USB 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) TD_Init 是 CY7C68013 的初始化程序它是在 EZUSB 重新枚舉和開(kāi)始任 務(wù)分配前調(diào)用的其初始化工作主要完成以下內(nèi)容 l 設(shè)置 EZUSB 的 CPU 的時(shí)鐘頻率和 slaveFIFO 接口時(shí)鐘頻率均為 48MHz 2 設(shè)置 EZUSB 傳輸方式為 BULK 方式并設(shè)置相關(guān)的端點(diǎn)的傳輸方向 ② TD_Poll 函數(shù) TD_Poll 函數(shù)是用戶自己要實(shí)現(xiàn)功能函數(shù)在這個(gè)函數(shù)中系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將 數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸出端點(diǎn)緩沖區(qū)內(nèi)等待 PC 機(jī)的讀取在 USB 循環(huán)調(diào)用的過(guò)程中不 斷執(zhí)行用戶程序不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸 在 TD_poll 函數(shù)中執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)傳輸程序首先判斷緩沖區(qū)是否滿標(biāo)志 如果不滿則開(kāi)始讀取 8 位數(shù)據(jù)也就是 AD 的數(shù)據(jù)并把緩沖區(qū)的地址指針 加 1 保證數(shù)據(jù)不會(huì)被后來(lái)的數(shù)據(jù)覆蓋并保存在下一個(gè)地址中讀完 512 個(gè) 數(shù)據(jù)后緩沖區(qū)滿這時(shí)可以開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)由于 USB 總線上是以字節(jié)為單 位傳輸 數(shù)據(jù)而數(shù)據(jù)是按照字來(lái)記數(shù)因此把讀取的數(shù)據(jù)記數(shù)器放大兩倍 然 后 把 字 節(jié) 數(shù) 變 量 的 高 字 節(jié) 和 低 字 節(jié) 分 別 賦 給 端 點(diǎn) 2 的傳輸字節(jié)計(jì)數(shù)器 EP2BCH 和 EP2BCL 完成該過(guò)程之后程序根據(jù)主機(jī)單位請(qǐng)求開(kāi)始自動(dòng)傳 送數(shù)據(jù) ③ 數(shù)據(jù)讀取函數(shù)