【導讀】基于USB總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計。隨著操作系統(tǒng)全面的支持USB技術(shù)標準USB的應用正得到突飛猛進。展本文所要論述的正是如何使用USB這一總線形式來實現(xiàn)一個數(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)硬件組成以及特點然。數(shù)據(jù)采集卡對USB總線接口電路的設(shè)計和實現(xiàn)方法進行了詳細的論述并。所用的芯片和電路進行了分析最后運用電子設(shè)計軟件PROTEL99SE繪制出。各個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)勢必將成為數(shù)。采集系統(tǒng)的一個新的發(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19. 5．1USB接口軟件設(shè)計25. 用范圍越來越廣USB作為一種新型接口技術(shù)目前有2個版本的規(guī)范其中。前調(diào)制傳感器信號包括對其進行增益或衰減和隔離等相應的系統(tǒng)稱為數(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 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 帶有增強的 8051 內(nèi)核最大頻率可設(shè)為 48MHz 帶有兩個通用異步收 發(fā)器三個定時計數(shù)器 和兩個數(shù)據(jù)指針并可支持外部中斷 3 可通過 USB 下載程序也可通過從外部擴展的 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 個通用 IO 引腳采用 33V 工作電壓 4 ． 3 ． 3 USB 接口電路設(shè)計 為擴展以后的需要本硬件電路的原理圖設(shè)計采用 Slave FIFO 模式連線 這也是以后要改進的地方 FX2 的 Slave FIFO 模式即從屬模式外圍電路可像對待普通 FIFO一樣對 FX2 中端點 2 端點 4 端點 6 和端點 8 的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行讀寫而且通常不需 要 FX2 的 CPU 的參與外部邏輯器件 如 MCU FPGA 等 可為這些端點 FIFO 提供所需的時序信號握手信號 包括 fullemptyprogrammablelevel 讀寫 信號和輸出允許信號等 Slave FIFO 模式的優(yōu)點在于傳輸速率高 [18]采用Slave FIFO 模式所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集板其數(shù)據(jù)傳輸率實測可 達到 35MHz 19 基于 USB 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計 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 負信號端口 DPLUS USB 正信號端口 A0A15 8051 地址總線 INT4 中斷輸入請求高位有效 INT5 中斷輸入請求低位有效 XTALIN 晶體輸入連結(jié)晶振 XTALOUT 晶體輸出連結(jié)晶振 CLKOUT 輸出 122448MHZ 的時鐘信號 WAKEUP 喚醒端如果 8051 處在被中斷暫停狀態(tài)喚醒芯片 4 ． 4 其他應用芯片介紹 4 ． 4 ． 1 定時器計數(shù)器 8254 INTEL 公司 8254 可編程定時器計數(shù)器片內(nèi)含有三個獨立和通道見圖 49 各個通道均為 16 位的計數(shù)器其計數(shù)速率可達到 8MHz 一個具有三態(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 寫邏輯的控制下接收來自系統(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 1 8254 的主要特點有 3 個獨立計數(shù)通道 每個計數(shù)器都可以有 2 種計數(shù)方式 每個通道有 6 種工作方式可編程設(shè)定 支持 3 種讀命令簡單讀鎖存讀讀回讀 2 8254 與 CPU 的接口引腳 D0D7 三態(tài)雙向數(shù)據(jù)端 WR 寫信號低電平有效 DR 讀 信號低電平有效 A0 Al 接口寄存器選擇輸入端 CS 片選輸入期 3 8254 計數(shù)器接口引腳 CLKO2 時鐘輸入端用于輸入定時脈沖或計數(shù)脈沖信號 GATEO2 門控信號輸入端用于啟動和禁止計數(shù)器的操作 OUTO2 輸出端當計數(shù)器完成規(guī)定的計數(shù)操作時 OUT 輸出相應的信 號 4 ． 4 ． 2 計數(shù)器分頻器 CD4040 12 位二進制串行計數(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 圖 411 CD4040 的內(nèi)部框圖及管腳功能 Q1Q12 輸出端輸出信號為二進制 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 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是模擬信號和數(shù)字信號混合地系統(tǒng)其模擬信號部分是精密 的信號調(diào)理電路其中分辨率的 12 位 ADC 對應的 1LBS 的模擬電壓為 14096 V 而其數(shù)字信號部分是系統(tǒng)的其它邏輯電路以脈沖工作形式的數(shù)字信號 數(shù)字信號幅度大頻譜寬是一個重要的干擾源地線噪聲會達到幾十 mV 甚至上百 mV 如果接地不當接線不良數(shù)字噪聲會嚴重影響模擬信號部分 的精度或產(chǎn)生跳碼同時除了內(nèi)部干擾在工作環(huán)境惡劣的場合外部干擾同 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 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的干擾同時在進行 AD 芯片選擇時選擇了 AD 公司的 AD1671JQ 芯片抗干擾能力強在放大電路的設(shè)計過程中選用了 BURRBROWN 公司的 INA111 儀表放大器信號差分輸入 除了硬件抗干擾之外軟件抗干擾的設(shè)計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行必要的軟件濾 波在時間上是完全可行的具體的濾波實現(xiàn)方法可以根據(jù)現(xiàn)場需要來確定 24 基于 USB 總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計 第五章 數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)計 5 ． 1 USB 接口軟件設(shè)計 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 庫文件有 Ezusblib[19] l 固件主程序 fwc 分析 fwc 是固件運行的主程序文件負責處理主機發(fā)出的各種 USB 設(shè)備請求 里面包含著 mian 函數(shù)的實現(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)無效 Rwuen FALSE 使遠程喚醒無效 Selfpwr FALSE 使自供電無效 GotSUD FALSE 清除得到裝載數(shù)據(jù)標志 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為沒有外部程序存儲器描述符重定位代 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 TD_Init 是 CY7C68013 的初始化程序它是在 EZUSB 重新枚舉和開始任 務分配前調(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 的時鐘頻率和 slaveFIFO 接口時鐘頻率均為 48MHz 2 設(shè)置 EZUSB 傳輸方式為 BULK 方式并設(shè)置相關(guān)的端點的傳輸方向 ② TD_Poll 函數(shù) TD_Poll 函數(shù)是用戶自己要實現(xiàn)功能函數(shù)在這個函數(shù)中系統(tǒng)實現(xiàn)了將 數(shù)據(jù)寫入輸出端點緩沖區(qū)內(nèi)等待 PC 機的讀取在 USB 循環(huán)調(diào)用的過程中不 斷執(zhí)行用戶程序不斷進行數(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)是否滿標志 如果不滿則開始讀取 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)不會被后來的數(shù)據(jù)覆蓋并保存在下一個地址中讀完 512 個 數(shù)據(jù)后緩沖區(qū)滿這時可以開始傳送數(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 2 的傳輸字節(jié)計數(shù)器 EP2BCH 和 EP2BCL 完成該過程之后程序根據(jù)主機單位請求開始自動傳 送數(shù)據(jù) ③ 數(shù)據(jù)讀取函數(shù)