【正文】 多的采用外國(guó)產(chǎn)品。 本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容設(shè)計(jì)一款自適應(yīng)的USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠通過(guò)通用的串行總線接口替代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集板槽式應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、接口芯片與USB連接圖以及周邊電路的設(shè)計(jì)。2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 硬件方案的選擇在芯片方面處理器采用功能強(qiáng)大的AT89C52，因?yàn)槠溥m用于許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制的應(yīng)用場(chǎng)合；A/D轉(zhuǎn)換器及D/A轉(zhuǎn)換器分別采用TLC549及TLC5620；由于CH372具有靈活省事的外置盒內(nèi)置雙重固件模式，內(nèi)置了USB通訊中的底層協(xié)議，所以接口芯片采用CH372。AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能8位CMOS單片機(jī)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，可靈活應(yīng)用于各種領(lǐng)域。其主要工作特性是：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器內(nèi)含8KB的Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)壽命可達(dá)到1000次；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含256字節(jié)的RAM；具有32根可編程的I/O口線；具有3個(gè)可編程的定時(shí)器；中斷系統(tǒng)是具有8個(gè)中斷源、6個(gè)中斷矢量、2級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；具有一個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR；低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；AT89C52工作電源電壓典型值為5V[5]。在外置固件模式下，所有USB請(qǐng)求由外部單片機(jī)根據(jù)需要自行處理，從而實(shí)現(xiàn)符合各種USB類(lèi)規(guī)范的設(shè)備。 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖圖21 總體設(shè)計(jì)方案模塊關(guān)系方框圖16路模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)送入微處理器，再由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)?6路開(kāi)關(guān)信號(hào)送出；開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)輸入電路讀入微處理器進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果經(jīng)74LS273鎖存輸出；8路脈沖信號(hào)由脈沖輸入電路輸入微處理器經(jīng)處理后送出；整個(gè)過(guò)程計(jì)算機(jī)通過(guò)接口芯片CH372對(duì)微處理器進(jìn)行控制；微處理器由電源直接供電。它能很好的采用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構(gòu)成各種廉價(jià)的測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)[7]。TLC549中REF接地，REF+接VCC，具體電路設(shè)計(jì)如圖22所示：圖22 A/D轉(zhuǎn)換電路TLC549內(nèi)部包含控制邏輯電路，數(shù)據(jù)寄存器以及采樣，內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘和保持。這些控制輸入與TTL兼容的3態(tài)輸出易于與微處理器或小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通信。s甚至更短時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。s。由于這種獨(dú)立性和系統(tǒng)時(shí)鐘的內(nèi)部產(chǎn)生，控制軟件和硬件只需關(guān)心利用I/O時(shí)鐘讀出先前轉(zhuǎn)換結(jié)果和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了器件的軟件和硬件控制任務(wù)。 TLC5620芯片電路設(shè)計(jì) TLC5620I和TLC5620C是帶有高阻抗緩沖輸入的4通道8位電源輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器集合。器件內(nèi)集成上電復(fù)位功能，確保啟動(dòng)時(shí)的環(huán)境是可重復(fù)的。該總線兼容CMOS，并易于向所有的微處理器和微控制器設(shè)備提供接口。11位的命令字包括1位范圍位、2位DAC選擇位和8位數(shù)據(jù)位，范圍位用來(lái)選擇輸出范圍是1倍還是2倍。輸入則采用了史密斯觸發(fā)器，從而避免了高噪聲。CH372可以方便的掛接到MCU/DSP/MPU/單片機(jī)等控制器的系統(tǒng)總線上，它在本地端具有8位數(shù)據(jù)總線和中斷輸出以及寫(xiě)、讀、片選控制線；在PC系統(tǒng)中，CH372的配套軟件提供的操作接口簡(jiǎn)潔易用，這使得本地端的單片機(jī)與該芯片的通訊方便得就如同讀寫(xiě)文件一般。 CH372和上位機(jī)連接電路設(shè)計(jì)圖24 CH372與USB總線連接圖，則應(yīng)該將V3引腳與VCC引腳短接，并且電容C3可以省掉。為使CH372能夠可靠復(fù)位，電源電壓從0V上升到5V的上升時(shí)間應(yīng)該少于100mS，所以電容C4的容量和電阻R3的阻值都不能太大。在普通的MCS51系列簡(jiǎn)化單片機(jī)的典型應(yīng)用電路中，CH372的固定為低電平，一直處于片選狀態(tài)，U5的P1端口作為8位雙向數(shù)據(jù)總線，在單片機(jī)程序中，可以控制各個(gè)I/O引腳模擬并口時(shí)序與CH372進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 開(kāi)關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì) 74LS244為三態(tài)輸出的八組緩沖器和總線驅(qū)動(dòng)器。開(kāi)關(guān)量輸入電路如圖26所示：圖26 開(kāi)關(guān)量輸入電路 開(kāi)關(guān)量輸出電路設(shè)計(jì) 74LS273是帶有清除功能的8D觸發(fā)器。滿足所需建立時(shí)間的D輸入信息在時(shí)鐘脈沖正邊沿作用下傳送到Q輸出端，時(shí)鐘觸發(fā)發(fā)生在一個(gè)特定的電平上，它不直接和正脈沖的過(guò)渡時(shí)間有關(guān)。觸發(fā)器保證對(duì)0到30M的時(shí)鐘頻率范圍響應(yīng)，而最高時(shí)鐘頻率的典型值是40M。由于系統(tǒng)要求有16路開(kāi)關(guān)量輸出，因此，開(kāi)關(guān)量輸出電路由2片74LS273組成。其GATE0～GATE2是門(mén)控脈沖輸入端，CLK0～CLK2是計(jì)數(shù)器0～2的時(shí)鐘脈沖輸入端，OUT0～OUT2是輸出端。這時(shí)，8253所能實(shí)現(xiàn)的定時(shí)時(shí)間決定于計(jì)數(shù)脈沖的頻率和計(jì)數(shù)器的初值，即定時(shí)時(shí)間=預(yù)置的計(jì)數(shù)初值n時(shí)鐘脈沖周期t[8]。電路如圖28示：圖28 8路脈沖輸入電路 多路開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì) CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)，有三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端A0、AA2和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。當(dāng)INH輸入端為1時(shí)，所有的通道截止。系統(tǒng)要求有16路模擬量輸入及輸出，模擬量輸入輸出信號(hào)分別經(jīng)過(guò)2片CD4051選擇。CD4051帶有三個(gè)通道選擇輸入端A、B、C和一個(gè)禁止端INH。當(dāng)INH為0時(shí)，允許通道接通；當(dāng)INH為1時(shí)，禁止通道接通。使用禁止端INH，可以很方便地實(shí)現(xiàn)通道數(shù)的擴(kuò)展。當(dāng)通道選擇碼取0000~1111B之一時(shí)，便唯一地選中這16路通道中的某一通道。采集設(shè)備固件的作用是輔助硬件，任何基于微處理器及外圍電路的功能設(shè)備正常工作都離不開(kāi)固件的參與；驅(qū)動(dòng)程序采用基于WDM模型的驅(qū)動(dòng)程序；對(duì)于基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序也是必須存在的，功能是開(kāi)啟、關(guān)閉USB設(shè)備，檢測(cè)USB設(shè)備，顯示分析數(shù)據(jù)等。 USB固件程序設(shè)計(jì)所有基于微處理器及其外圍電路的功能設(shè)備保證正常工作都離不開(kāi)固件的參與，固件的作用就是輔助硬件，即控制硬件來(lái)完成預(yù)期的功能，若沒(méi)有固件的控制和參與，硬件設(shè)備只是簡(jiǎn)單的芯片堆砌，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的功能。具體如下：(1)初始化。(2)輔助硬件完成設(shè)備的重新枚舉過(guò)程。(3)對(duì)中斷的處理。(5)外圍電路的控制[10]。請(qǐng)求處理程序中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)接收/發(fā)送主程序硬件接口訪問(wèn)程序圖31 固件程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向各模塊主要功能如下：主程序：完成USB接口芯片及數(shù)字信號(hào)處理器的初始化、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送標(biāo)志位的判斷和中斷請(qǐng)求等待。首先讀取中斷寄存器的值判斷所發(fā)生中斷的類(lèi)型，然后根據(jù)具體的中斷類(lèi)型進(jìn)入相應(yīng)的處理子程序或設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。固件接收第1個(gè)SETUP中斷開(kāi)始，就進(jìn)入U(xiǎn)SB枚舉的過(guò)程，枚舉過(guò)程是由主機(jī)發(fā)出一系列的請(qǐng)求并要求及時(shí)得到設(shè)備的響應(yīng)，如果不需要操作，也必須指示出一個(gè)空響應(yīng)，使主機(jī)能為其準(zhǔn)備所請(qǐng)求的資源，建立好主機(jī)和設(shè)備之間的信息溝通機(jī)制[11]。數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過(guò)程如下：圖32 發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程圖33 接收數(shù)據(jù)過(guò)程硬件接口訪問(wèn)程序：硬件接口程序負(fù)責(zé)完成數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)芯片的讀寫(xiě)操作，它是整個(gè)固件程序中的最底層，同時(shí)也是使用最頻繁的部分。WDM模型是全新的驅(qū)動(dòng)程序模型，現(xiàn)在主流操作系統(tǒng)基本上都是采用基于WDM模型的驅(qū)動(dòng)程序[9]。IRP 即I