【正文】 大學(xué)本科畢業(yè)論文 15 3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)原理介紹 圖 31 為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)出接收數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，并有設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)開始傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分主要包括芯片的選擇、數(shù)據(jù)采集和傳輸電路以及電源轉(zhuǎn)換電路等。 當(dāng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別設(shè)備并加載驅(qū)動(dòng)程序， USB 控制器的固件程序可通過(guò) USB 電纜從主機(jī)下載到其內(nèi)部程序 RAM 中，并經(jīng)過(guò)枚舉和重枚舉后開始正常工作， PC 可以通過(guò)應(yīng)用程序取得系統(tǒng)的各種配置信息。 圖 31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的芯片選擇 USB 芯片選擇 目前 USB 芯片大致分為 5 大類型： 1） 單獨(dú)運(yùn)作的 USB 接口芯片； 2） 內(nèi)含 USB 單元的微處理器（ MPU）； 3） 特定的接口轉(zhuǎn)芯片，如 USB 轉(zhuǎn) RS232 或 USB 轉(zhuǎn) ATA/ATAPI 等； 4） PC 端或主機(jī)端的 USB 控制器； 由于后兩種是屬于 PC 主機(jī)板與芯片組制造商所開發(fā)的領(lǐng)域，不適合用戶來(lái)開發(fā) USB 外圍設(shè)備；因此，對(duì)于一般的 USB 接口的開發(fā)者而言，可以選用前面的兩種來(lái)滿足自己的設(shè)計(jì)要求。為了降低成本，有的僅包含模擬的差動(dòng)電路而已。這樣，外部接口可能比 USB 最大速度要慢，使得芯片只適合傳送間歇數(shù)據(jù)。 2） 內(nèi)含 USB 單元的微處理器（ MPU） 芯片內(nèi)部已經(jīng)嵌入了通用微控制器類型的 USB 控制器芯片一般是在通用微控制器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了 USB 功能，其優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)者熟悉這些通用微控制器的結(jié)構(gòu)和指令集，相關(guān)資料豐富，易于進(jìn)行開發(fā)。 采用單獨(dú)運(yùn)作的 USB 接口芯片的主要特點(diǎn)是成本低、接口形式多樣、可靠性高，具有很高的靈活性，尤其適合于產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)；缺點(diǎn)是開發(fā)者需要非常熟悉 USB 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 17 的協(xié)議，以處理 USB 總線事務(wù)，加大了編程設(shè)計(jì)人員的開發(fā)難度，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時(shí)要用微處理器控制收發(fā)器的工作。 在本設(shè)計(jì)中，主要考慮到應(yīng)用 技術(shù)，使整個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備小型化，連接電路簡(jiǎn)單三個(gè)方面的因素，選擇了內(nèi)部嵌入了微控制器，并且支持 協(xié)議的 接口芯片 CY7C68013，該芯片屬于 Cypress 公司的 FX2 系列。選擇 A/D 轉(zhuǎn)換芯片需要考慮 器件本身的性能和具體的應(yīng)用要求。 1) 精度：與系統(tǒng)測(cè)量的信號(hào)范圍有關(guān)，但估算時(shí)要考慮到其他因素，轉(zhuǎn)換器位數(shù)應(yīng)該比總精度要求的最低分辯率高一位。 2) 速度：應(yīng)根據(jù)輸入信號(hào)的最高頻率來(lái)確定，保證轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要高于系統(tǒng)要求的采樣頻率。 為了匹配 的高速傳輸特性，滿足廣泛的實(shí)際需要，本設(shè)計(jì)選用的是采樣速度快、分辨率高的 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX125。該系列的芯片有四種封裝類型，分別為： 128pinTQFP、 100pin TQFP、 56pin QFN 和 56pin SSOP，其中河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 18 56 腳的功耗最低。 Cypress EZUSB FX2 是世界上第一款 集成微控制器 [15]。 集成的 USB 收發(fā)器通過(guò) USB 電纜的 D＋和 D－線連接到主機(jī)，串行接口引擎（ SIE） 進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼和解碼、完成錯(cuò)誤校驗(yàn)、位填充等與 USB 協(xié)議有關(guān)的功能。 FX2 的 SIE 可以在 (12 Mbps) 和高速 (480 Mbps)兩種速率下運(yùn)行。 CPU 是具有快速的執(zhí)行時(shí)間和更多特點(diǎn)的增強(qiáng)型 8051，它把內(nèi)部 RAM 用作程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 圖 32 FX2 56－ pin 封裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 19 2) 通常的系統(tǒng)應(yīng)用。但是，對(duì)于 CPU 來(lái)說(shuō)，由于 支持的數(shù)據(jù)傳輸速率太高而使其不能直接處理 USB 數(shù)據(jù)。這時(shí)， CPU 只是簡(jiǎn)單地配置接口，當(dāng) FX2 FIFO 在USB 和外部接口之間傳輸數(shù)據(jù)開始后就退出該通信通路。另外， GPIF 還可以通過(guò)采樣引腳 RDY 上的外部信號(hào)來(lái)等待外部事件的發(fā)生，決定是產(chǎn)生中斷還是進(jìn)行下一步操作。 CY7C68013 有以下主要特征： 1) 軟件： 8051 從下載到內(nèi)部 RAM 的程序開始運(yùn)行，這個(gè)特征允許固件程序通過(guò)主機(jī)下載到芯片內(nèi)部 RAM 中，從而方便了調(diào)試和固件的改寫。 3) GPIF：允許直接連接到大多數(shù)并行接口： 8 位和 16 位；由可編程波形描述符和配置寄存器來(lái)定義波形；支持多個(gè) Ready（ RDY）輸入和 Control（ CTL）輸出； 4) ＋ 電壓供電，減小了控制器的功耗。 2）每個(gè)指令周期只包含四個(gè)時(shí)鐘周期。 ② 設(shè)備用固件下載之前的 PID 響應(yīng)主機(jī)的要求。 ④ 由固件裝載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，將設(shè)備的固件下載到 FX2 芯片上。 ⑥ 8051 固件在電氣上斷開 FX2 設(shè)備與 USB 總線的連接。 （ 2） FX2 的重枚舉 因?yàn)?Cypress 公司的 EZUSB 2100 系列、 FX 系列和 FX2 系列具有軟特性，所以它能在許多不同的 USB 設(shè)備中表現(xiàn)出共性。下載完成后，當(dāng)下一次設(shè)備訪問時(shí)，該設(shè)備就作為信息中所定義的完全不同 USB 外設(shè)來(lái)處理。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 MAX125 的介紹 MAX125 是 8 通道高速 14 位模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)設(shè)采樣 /保持器（ T/H），單次轉(zhuǎn)換時(shí)間為 3μ s，通過(guò)對(duì) MAX125 寫控制字，可以使之工作于單通道轉(zhuǎn)換，也可以使之工作于多通道的連續(xù)轉(zhuǎn)換，且其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)具有緩沖功能。 5V，轉(zhuǎn)換器的最高輸入過(guò)電壓高達(dá)177。圖 33 為 MAX125 的引腳分布圖。由于 CY7C68013 集成了多重功能，所以外部電路就顯得不是很復(fù)雜，減少了一般電路復(fù)雜的外部數(shù)據(jù)線和信號(hào)線的連接，提高了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 可靠性。它有一個(gè)片內(nèi)鎖相環(huán)（ PLL）電路，利用 PLL 可以把 24MHz 振蕩器頻率倍頻至480MHz 供收發(fā)器使用。 XTAL IN 和 XTAL OUT 為晶振的輸入和輸出引腳，分別與晶振相連；同時(shí)，晶振的兩個(gè)引腳分別通過(guò)一個(gè) 22pF 的負(fù)載電容接 地。 USBB型連接器上的 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。 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。本設(shè)計(jì)沒有使用 WAKEUP 引腳，所以通過(guò) 10 K 上拉電阻連接到 電壓。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。 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。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 。 CS 引腳接地，隨時(shí)能夠讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 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。 MAX125 的時(shí)鐘信號(hào)是由有源晶振產(chǎn)生 的，如圖 36 所示。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)。 +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。 +5V 供電方式選擇電路如圖 37。 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。 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 。 NCP1729 采用節(jié)省空間的 TSOP6（ SOT236）封裝。本設(shè)計(jì)中，選用的是電源轉(zhuǎn)換芯片 ，將 +5V 轉(zhuǎn)換為＋ 。 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。 24LC64 是 8K字節(jié)的電可擦除的 PROM，其工作電壓范圍為 。本設(shè)計(jì)所使用 24LC64 的封裝類型引腳如圖 310 所示 。 J5 跳針可控制 EEPROM 連接。 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)的固件開發(fā)，重點(diǎn)闡述固件的開發(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)。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。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。 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 軟件開發(fā)系統(tǒng)。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]。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。基于以上特點(diǎn)，本系統(tǒng)的大部分程序采用Keil C51 開發(fā)系統(tǒng)完成。 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。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。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。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。 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。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]。 2) 主函數(shù)：包括完成符合設(shè)備特定要求的代碼。 FX2 固件的典型流程圖如圖 所示。通過(guò)逐步的擴(kuò)充，進(jìn)而健全所需要的其他功能。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（）。 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)。下面是固件中的主要功能模塊。 void TD_Init(void) { CPUCS = ((CPUCS amp。 //設(shè)置 CPU 時(shí)鐘頻率為48MHz IFCONFIG |= 0x40。 // 設(shè)置端點(diǎn) 1OUT 有效，批量傳輸 EP1INCFG = 0xA0。 // 同步延時(shí) EP2CFG = 0xA2。 EP6CFG = 0xE2。 EP2BCL = 0x80。 EP2BCL = 0x80。 // 使能 FX2 的雙自動(dòng)指針特性 Rwuen = TRUE。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? （ 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