【導(dǎo)讀】擬信號(hào)調(diào)理、模擬信號(hào)數(shù)字化、數(shù)字信號(hào)處理等，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。其支持熱插拔和即插即用、占用系統(tǒng)資源少等特點(diǎn)迅速得到了廣泛的應(yīng)用。憑借其480Mbps的理論傳輸速度，更是得到了人們的青睞。論文基于課題的研究?jī)?nèi)。容，給出了一種用總線技術(shù)解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口問(wèn)題的實(shí)施方案。其中硬件部分具體描述了控制器CY7C68013和模數(shù)轉(zhuǎn)換。芯片MAX125的接口設(shè)計(jì)，同時(shí)也給出了各種電源轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計(jì)過(guò)程及其數(shù)據(jù)通信流程；驅(qū)動(dòng)程序是系統(tǒng)硬件和客戶應(yīng)用程序之間通信的橋梁，用程序，并對(duì)其功能做了解釋。統(tǒng)具有14位分辨率，單通道250KHz采樣頻率和30Mbps傳輸速率。點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　

【正文】 上的 VBUS 和 GND 為總線電源線，整個(gè)系統(tǒng)的所需要的各種電壓都是通過(guò)該電源轉(zhuǎn)換而得到。 SCL 和 SDA 分別為 I2C 總線的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，在 CY7C68013 中， I2C 控制器是漏極開(kāi)路的，因此將這兩個(gè)引腳分別通過(guò)一個(gè) 電源上。 RESERVED 引腳通過(guò)一個(gè) 10KΩ電阻接地，否則不能正確找到 USB 設(shè)備。 WAKEUP為喚醒引腳，在 8051 和芯片的其他部分為低功耗狀態(tài)時(shí)， USB 系統(tǒng)掛起； PLL 和晶振停止工作，當(dāng)外部 邏輯觸發(fā) WAKEUP，晶振重新工作之后， PLL 趨于穩(wěn)定；同時(shí)，8051 也會(huì)收到一個(gè)喚醒中斷。本設(shè)計(jì)沒(méi)有使用 WAKEUP 引腳，所以通過(guò) 10 K 上拉電阻連接到 電壓。 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 22 RESET 引腳為芯片的復(fù)位引腳，該引腳有一個(gè)滯后作用并且低電平有效。因?yàn)閮?nèi)部鎖相環(huán)在 VCC 升至 之后大約 200μ s才能穩(wěn)定，所以本設(shè)計(jì)將 RESET 引腳連接到 IMP811，使系統(tǒng)正常上電復(fù)位。 IMP811 是在低功耗微處理器、微控制器和數(shù)字系統(tǒng)中用來(lái)監(jiān)視 、 和 電源工作的低功耗監(jiān)控電路，具有 去抖動(dòng)的手動(dòng)復(fù)位輸入 [17][18]。 A/D 采樣通道設(shè)計(jì) 論文中，采用的是 CY7C68013 的 GPIF 工作模式，因此直接使用了 GPIF 的 16 位并行接口。 A/D 通道設(shè)計(jì)電路原理圖如圖 34 所示。如圖所示，本設(shè)計(jì)將 MAX125 的D[0:7]同 CY7C68013 的 PB[0:7]相連， D[8:13]同 PD[0:5]相連；將 MAX125 的CONVST 、 WR 和 RD分別同 CY7C68013 的 CTL0、 CTL1 和 CTL2 相連，由 GPIF 的波形描述符所產(chǎn)生的時(shí)序控制 MAX125 的采集時(shí)序 。將 MAX125 的 INT 引腳與圖 34 USB 控制器電路 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 23 CY7C68013 的 RDY0 引腳相連，作為讀取數(shù)據(jù)的使能條件。 CS 引腳接地，隨時(shí)能夠讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng) INT 引腳的電平變低時(shí)， MAX125 轉(zhuǎn)換結(jié)束， CY7C68013 開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)。 CH1A～ CH4B 是 MAX125 的 8 路輸入轉(zhuǎn)換通道，可對(duì) A0～ A3 地址線進(jìn)行編程來(lái)指定通道。本設(shè)計(jì)中 MAX125 采用的是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，所以將 REFIN 引腳通過(guò) F 的電容接地、 REFOUT 引腳通過(guò) F 電容接地。 MAX125 的時(shí)鐘信號(hào)是由有源晶振產(chǎn)生 的，如圖 36 所示。晶振內(nèi)部有晶體和振蕩電路，不需要輸入信號(hào)源，直接可產(chǎn)生頻率。出廠時(shí)頻率已校準(zhǔn)，而且有應(yīng)用方便、頻率穩(wěn)定和電磁輻射少等特點(diǎn)。 圖 35 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 24 圖 36 MAX125 時(shí)鐘電路 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，需要三種大小不同的供電電源，除了 MAX125 需要的 5V 供電電源外，還有 CY7C68013 需要的＋ 的供電電源。 +5V 電源設(shè)計(jì) +5V 電源是 MAX125 的供電電源， CY7C68013 需要的＋ 供電電源也是通過(guò)+5V 轉(zhuǎn)換得到的。本設(shè) 計(jì)采用了總線電源供電與外接供電兩種方式；通過(guò)跳針可以選擇其中一種作為系統(tǒng)各個(gè)部分所需的電源。 +5V 供電方式選擇電路如圖 37。 D1 為電源指示燈，上電后 D1 點(diǎn)亮。 圖 37 +5V 電源選擇電路圖 5V 電源設(shè)計(jì) 5V 電源是 MAX125 的供電電源，本設(shè)計(jì)中，選用的是 NCP1729 電壓反相器將+5V 電壓轉(zhuǎn)換為 5V 電壓。連接電路如圖 38 所示。 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 25 圖 38 5V 電源轉(zhuǎn)換電路圖 NCP1729 是 CMOS 電荷泵電壓反相器 [19]，輸入電壓范圍 ～ ，輸出電流50mA，工作電流僅為 122μ A，且提供節(jié)省功率的關(guān)斷輸入，進(jìn)一步將電流降至 μ A 。它包含一個(gè) 35kHz 的振蕩器，推動(dòng)四個(gè)低電阻 MOSFET 開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生 26 Ω 的低輸出電阻以及 99%的電壓變換效率。 NCP1729 采用節(jié)省空間的 TSOP6（ SOT236）封裝。 + 電源設(shè)計(jì) ＋ 電源是 CY7C68013 所需芯片供電電壓。本設(shè)計(jì)中，選用的是電源轉(zhuǎn)換芯片 ，將 +5V 轉(zhuǎn)換為＋ 。連接電路如圖 39 所示。 圖 39 + 電源轉(zhuǎn)換電路圖 EEPROM 電路設(shè)計(jì) 該部分電路用于存放 CY7C68013 的 PID/VID 程序。該部分電路主要芯片選用具有 I C 總線接口的 EEPROM 芯片 24LC64。 24LC64 是 8K字節(jié)的電可擦除的 PROM，其工作電壓范圍為 。 24LC64 可以一次寫入 32 字節(jié)，可以任意或連續(xù)的讀出 8K 字節(jié)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)所使用 24LC64 的封裝類型引腳如圖 310 所示 。 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 26 圖 310 24LC64 引腳 其中 A2,A1,A0 為用戶配置地址，在 USB 接口硬件系統(tǒng)中， 此地址必須為 001，WP 為寫保護(hù)， SCL， SDA 為 I2C 總線的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線。 J5 跳針可控制 EEPROM 連接。圖 311 為 EEPROM 硬件電路。 圖 311 I2C 接口的 EEPROM 電路 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 27 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的固件程序設(shè)計(jì) 本章主要介紹本系統(tǒng)的固件開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)闡述固件的開(kāi)發(fā)環(huán)境、支持工具、固件框架以及固件各模塊的具體實(shí)現(xiàn)。這里所說(shuō)的固件實(shí)際上是指運(yùn)行在 USB 控制器(CY7C68013)中的可執(zhí)行代碼。本設(shè)計(jì)所涉及到的固件，主要完成了初始化、數(shù)據(jù)傳輸、掛起和恢復(fù)等工作。 固 件開(kāi)發(fā)環(huán)境 本設(shè)計(jì)中 CY7C68013 的固件開(kāi)發(fā)使用了兩種支持環(huán)境： Cypress 的開(kāi)發(fā)包（ EZUSB Control Panel）和 Keil C。當(dāng) USB 外設(shè)（ CY7C68013 為控制器）接到主機(jī)后，通過(guò) EZUSB 控制面板將程序下載到 CY7C68013，然后才能通過(guò) Keil C 進(jìn)行調(diào)試。只有通過(guò) Keil C 將程序編譯連接生成 .HEX 文件后，才能通過(guò) EZUSB 控制面板下載固件，進(jìn)行 USB 調(diào)試。 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言的 軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比， C語(yǔ)言在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性上都有明顯的優(yōu)勢(shì)，易學(xué)易用。且 C 語(yǔ)言最大的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的可移植性，這使得硬件升級(jí)工作更加容易 [20]。 Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。基于以上特點(diǎn)，本系統(tǒng)的大部分程序采用Keil C51 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)完成。 利用該系統(tǒng)提供的 C51 編譯器，我們可以把 C 語(yǔ)言生成的源程序編譯連接成目標(biāo)代碼 .HEX 文件，然后利用 USB 線和 ControlPanel 工具將該文件下載到 CY7C68013 中。 固件程序的功能和架構(gòu) 固件的功能 固件程序主要負(fù)責(zé)完成兩項(xiàng)任務(wù) [21]：一是作為駐留在設(shè)備中的內(nèi)部應(yīng)用程序，響應(yīng)主機(jī)的列舉請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)配置設(shè)備并將設(shè)備的配置信息 (如支持哪些傳輸類型和端河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 28 點(diǎn) )告知主機(jī)，進(jìn)而為主機(jī)和設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信做好準(zhǔn)備工作：二是作為整個(gè)設(shè)備的控制中心，根據(jù)用戶應(yīng)用系統(tǒng)的特定要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)外 圍設(shè)備的具體控制。 USB控制器芯片借助 CPU 執(zhí)行固件程序來(lái)控制芯片的活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。固件的設(shè)計(jì)就是使在 USB 總線上的傳輸能獲得快速的、有效的數(shù)據(jù)傳輸速度。它的操作方式與硬件聯(lián)系緊密，包括 USB 設(shè)備的連接、列舉、重列舉、 USB 協(xié)議和中斷處理等等。當(dāng)把設(shè)備連接到主機(jī)上 (USB 設(shè)備連接到主機(jī)上的集線器上 )時(shí)，上位機(jī)可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)備，然后建立連接。因此，編寫固件程序的一個(gè)最主要的目的就是讓W(xué)indows 可以檢測(cè)和識(shí)別設(shè)備。實(shí)際上，針對(duì)本論文，在一個(gè) USB 傳輸中， CY7C68013 中集成的 SIE 能夠處理很多 任務(wù)，如解釋 USB 協(xié)議等。但是，固件并不是能包辦一切的，它必須和硬件相互配合，才能完成 USB 所要求的傳輸?shù)热蝿?wù)。 USB 器件在微控制器的控制下與主機(jī)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn) USB 的數(shù)據(jù)收發(fā)，基本過(guò)程是這樣的：當(dāng) USB 外設(shè)接到主機(jī)上時(shí)，主機(jī)首先列舉設(shè)備，之后通過(guò)缺省端點(diǎn) EP0 下載固件程序到其片內(nèi) RAM，接下來(lái)重列舉設(shè)備，用下載到其內(nèi)部 RAM 的固件配置設(shè)備，即用戶所設(shè)計(jì)的模式，根據(jù)用戶定義的固件程序中的 VID 和 PID，找到設(shè)備的功能驅(qū)動(dòng)程序，從而完成設(shè)備的配置過(guò)程。傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中，發(fā)送的數(shù)據(jù)以包的形式寫入器件的緩沖區(qū) ，當(dāng)緩沖區(qū)被寫滿或者數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后， USB 設(shè)置寄存器滿標(biāo)志。如果主機(jī)準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù)，則向功能設(shè)備端點(diǎn)發(fā)出讀令牌包，端點(diǎn)通過(guò)判斷端點(diǎn)類型，和是否準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)響應(yīng)請(qǐng)求，完成數(shù)據(jù)傳輸后通過(guò)握手包來(lái)完成整個(gè)通信過(guò)程 [22]。 FX2 固件典型架構(gòu) 編寫固件程序比較復(fù)雜，需要調(diào)用大量函數(shù)，但基本框架卻相對(duì)簡(jiǎn)單，包括以下三個(gè)基本的過(guò)程 [22]： 1) 初始化：包括處理器和 EZUSB 寄存器的初始化。 2) 主函數(shù)：包括完成符合設(shè)備特定要求的代碼。 3) 中斷處理：包括處理各 種中斷的程序代碼。 FX2 固件的典型流程圖如圖 所示。這個(gè)框架實(shí)現(xiàn)了與 USB 兼容的外圍設(shè)備所需的基本功能。通過(guò)逐步的擴(kuò)充，進(jìn)而健全所需要的其他功能。復(fù)位上電時(shí)，固件先初始化一些全局變量，然后調(diào)用用戶初始化函數(shù) TD_Init()，將 USB 設(shè)備初始河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 29 化為非配置狀態(tài)，然后開(kāi)中斷。循環(huán)延時(shí) 1 秒后重新枚舉設(shè)備，直到端點(diǎn) 0 收到SETUP 包退出循環(huán)，進(jìn)入循環(huán)語(yǔ)句 while，程序執(zhí)行任務(wù)調(diào)度，任務(wù)調(diào)度就是依次 執(zhí)行下面任務(wù)： 1) 調(diào)用用戶函數(shù) TD_Poll（）。 2) 如果發(fā)現(xiàn) USB 設(shè)備請(qǐng)求，則執(zhí)行 USB 請(qǐng)求操作。 3) 如果發(fā)現(xiàn) USB 空閑置位，則調(diào)用 TD_Suspend()掛起函數(shù)，調(diào)用成功則內(nèi)核掛起；隨后 USB 將會(huì)測(cè)試是否出現(xiàn)遠(yuǎn)程喚醒信號(hào)，如果有就調(diào)用 TD_Resume()，內(nèi)核喚醒重新進(jìn)入 while 循環(huán)。 圖 FX2 固件的典型流程圖 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 30 固件中的函數(shù)都是通過(guò)主函數(shù)的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的功能，有些函數(shù)只是返回一個(gè)值，做為判斷一個(gè)跳轉(zhuǎn)的條件。下面是固件中的主要功能模塊。 （ 1） void TD_Init(void) 該函數(shù)對(duì)全局變量進(jìn)行了初始化，比 如設(shè)置 CPU（增強(qiáng)型 8051）的時(shí)鐘頻率，通過(guò)配置相應(yīng)的寄存器完成端點(diǎn)的方向、類型、緩沖區(qū)的大小和深度等配置。 void TD_Init(void) { CPUCS = ((CPUCS amp。 ～ bmCLKSPD) | bmCLKSPD1) 。 //設(shè)置 CPU 時(shí)鐘頻率為48MHz IFCONFIG |= 0x40。 // 設(shè)置 IFCLK 時(shí)鐘頻率為 48MHz EP1OUTCFG = 0xA0。 // 設(shè)置端點(diǎn) 1OUT 有效，批量傳輸 EP1INCFG = 0xA0。 // 設(shè)置端點(diǎn) 1IN 有效，批量傳輸 SYNCDELAY。 // 同步延時(shí) EP2CFG = 0xA2。 // 設(shè)置端點(diǎn) 2 有效， OUT，批量傳輸，雙重緩沖 SYNCDELAY。 EP6CFG = 0xE2。 // 設(shè)置端點(diǎn) 6 有效， IN，批量傳輸，雙重緩沖 SYNCDELAY。 EP2BCL = 0x80。 // 設(shè)置端點(diǎn) 2 的字節(jié)計(jì)數(shù) SYNCDELAY。 EP2BCL = 0x80。 // 因?yàn)槭请p重緩沖，所以寫兩次 AUTOPTRSETUP |= 0x01。 // 使能 FX2 的雙自動(dòng)指針特性 Rwuen = TRUE。 // 使能遠(yuǎn)程喚醒功能 GpifInit ()； // 初始化 GPIF 寄存器 } （ 2） void TD_Poll(void) 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 31 在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置一個(gè) while()循環(huán)，該函數(shù)被不停的重復(fù)調(diào)用。這部分中的操作是完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的主要部分，比如數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取５?，如果有較高中斷優(yōu)先級(jí)的中斷產(chǎn)生，就會(huì)在這個(gè)函數(shù)返回之前，先完成 中斷操作。 （ 3） BOOL TD_ Suspend(void) 函數(shù) TD_ Suspend(void)會(huì)在固件程序進(jìn)入中止模式之前先被調(diào)用，該函數(shù)會(huì)把設(shè)備設(shè)置為低功率的狀態(tài)。而函數(shù)