摘 要：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中利用通用串行總線（USB）接口，提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳輸速度，曾強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。本系統(tǒng)利用通用串行總線（USB）的高速傳輸功能，采用基于ARM7TDMI-STM內(nèi)核的LPC2132主控芯片，將調(diào)制后的模擬信號(hào)進(jìn)行AD7829模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)采集后通過USB2．0接口芯片ISP1581實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的快速數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)成高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

      關(guān)鍵詞：ARM7；USB接口；數(shù)據(jù)采集

Design and Realization of Data Acquisition System Based on USB
YAN Shi-lei , SU Wei-jia
(College of Mechanical and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

      Abstract：Uses the Universal Serial Bus (USB) connection in the data acquisition system，enhanced the data acquisition system transmission speed, has strong anti-interference ability of the system。The system uses a Universal Serial Bus (USB) high-speed transmission，uses based on ARM7TDMI-STM the essence LPC2132 master control chip，will be modulated analog signals AD7829 analog-digital conversion，after the completion of data acquisition through the USB2.0 interface chip ISP1581 to achieve with the PC-fast data transfers，constitute a high-performance data acquisition system。

      Key words: ARM7；USB Interface；Data Acquisition
            
      引 言
      目前，國內(nèi)外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)采集卡有RS-232、RS-485卡、PCI卡、ISA卡等。這些數(shù)據(jù)采集卡雖然有各自的優(yōu)點(diǎn)，但是也有各自的缺點(diǎn)。例如：RS-232、RS-485卡的傳輸速度較慢，PCI卡、ISA卡需要插在主機(jī)的PCI插槽或ISA插槽上，使用不方便等。通用串行總線（USB）是一種新的接口方式，具有連接方便、支持熱插拔、無需外接電源、傳輸速度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。USB 2.0的最大傳輸速率高達(dá)480Mbps。因此，基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在通信、遙感、智能儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

      1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
      該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分主要由A/D轉(zhuǎn)換器AD7829，LPC2132微處理器，USB2．0接口芯片ISP1581和PC機(jī)組成。USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

 圖1  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

      數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理：由傳感器采集的信號(hào)經(jīng)調(diào)制電路放大、濾波等處理后，進(jìn)入由微處理器控制的AD7829進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)入微處理器LPC2132并暫存在其中，隨后由USB接口芯片將數(shù)字量傳遞給PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)將PC機(jī)端的客戶應(yīng)用程序發(fā)出的控制信號(hào)通過USB接口傳送到以LPC2132為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]。
      1.1 USB接口芯片
      該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用ISP1581作為USB接口芯片，ISP1581是Philips公司推出的一款高性價(jià)比的USB2.0接口電路,支持7個(gè)IN端點(diǎn),7個(gè)OUT端點(diǎn)和一個(gè)固定控制IN/OUT端點(diǎn)。ISP1581支持SUB2.0的自檢工作模式和USB1.1的返回工作模式，可以在高速或全速條件下正常運(yùn)行。內(nèi)部集成有串行接口引擎（SIE）、PIE、8KB的FIFO存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、PLL的12MHz晶體振蕩器和3.3V的電壓調(diào)整器。該電路可直接與ATA/ATAPI外設(shè)相連，并具有高速DMA接口。傳輸速率最高可達(dá)480Mbps/s[2]。
      1.2主控芯片和A/D轉(zhuǎn)換芯片
      為了滿足速度的要求，主控芯片選用LPC2132。LPC2132是Philips公司的一款基于ARM7TDMI-STM 內(nèi)核的微控制器，帶有64kB的嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器和16kB片內(nèi)靜態(tài)RAM。多達(dá)47個(gè)5V的通用I/O口，1個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換器，可提供不同的模擬輸出。多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個(gè)高速I2C接口（400kbit/s）、SPITM 和SSP。通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率[3]。
雖然LPC2132自帶1個(gè)8路A/D轉(zhuǎn)換器，但是其每通道轉(zhuǎn)換時(shí)間是2.44us,達(dá)不到高速數(shù)據(jù)采集的要求，因此選用AD7829模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7829是一個(gè)8路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換率2Mbps，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
      1.3硬件接口電路
      該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件連接圖如圖2所示。

             
      
                                   圖2硬件連接示意圖

      模擬信號(hào)經(jīng)AD7829轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量，數(shù)據(jù)先存放在LPC2132的寄存器里，再由LPC2132將數(shù)據(jù)傳送給ISP1581，在此將ISP1581的緩沖區(qū)定義為8個(gè)，分別寫入8路轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。而PC機(jī)通過USB接口與ISP1581連接，ISP1581負(fù)責(zé)分類和解釋PC機(jī)發(fā)來的信號(hào)，具體操作流程如下：PC機(jī)發(fā)送給USB設(shè)備的數(shù)據(jù)以包的形式寫入ISP1581的緩存中，當(dāng)緩存被寫滿或數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，ISP1581就給LPC2132發(fā)中斷信號(hào)，LPC2132 響應(yīng)中斷信號(hào)進(jìn)入中斷服務(wù)程序執(zhí)行相應(yīng)的包處理。USB設(shè)備不能主動(dòng)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，只有當(dāng)PC機(jī)要求USB設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，LPC2132才將主機(jī)需要的數(shù)據(jù)寫入ISP1581相應(yīng)端點(diǎn)的緩存中[4]。

      2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
      本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分主要由：固件程序設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)三部分組成。

      2.1固件程序設(shè)計(jì)
      固件程序中AD7829的轉(zhuǎn)換脈沖/CONVST是由LPC2132 的P0.18 口發(fā)出，當(dāng)AD7829轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出有效低電平，LPC2132接到有效電平后，發(fā)下一路地址（通過A0，A1，A2的高低電平配置）給AD7829，然后讀數(shù)據(jù)，當(dāng)AD7829的/RD和/CS信號(hào)有效時(shí)，將數(shù)據(jù)讀人LPC2132的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的同時(shí)將下一路的地址打人，這樣循環(huán)采集8路模擬輸入，直到數(shù)據(jù)采集結(jié)束。
      LPC2132與ISP1581之間的通信時(shí)靠LPC2132給ISP1581發(fā)送命令和數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。通過ISP1581的INT中斷信號(hào)與微控制器LPC2132的EINT0口相連，當(dāng)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)成功時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，固件程序?qū)@些中斷進(jìn)行響應(yīng)并完成設(shè)備的配置。設(shè)備固件程序采用Keil C進(jìn)行編寫，包括主循環(huán)程序、中斷服務(wù)程序、USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理和批量數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求處理4部分。如圖3所示。

       
               圖3 固件程序框圖

      2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
      應(yīng)用程序包括Win32DLL程序和用戶應(yīng)用程序。Win32動(dòng)態(tài)連接庫是包含共享函數(shù)庫的二進(jìn)制文件，可以被多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)使用。客戶應(yīng)用程序則是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的軟件程序，在本系統(tǒng)中采用Visual C++進(jìn)行編寫。
      2.3 USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
      USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序采用分層結(jié)構(gòu)模型，如圖 4 所示。選用Microsoft公司提供的Windows驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具Windows DDK。

      
             圖 4 USB分層驅(qū)動(dòng)模型

      應(yīng)用程序通過Win32 子系統(tǒng)利用一個(gè)Windows定義的軟件接口(API)來同根集線器驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信。而USB根集線器驅(qū)動(dòng)程序則要通過USBDI(通用串行總線驅(qū)動(dòng)程序接口) 來實(shí)現(xiàn)同通用串行總線驅(qū)動(dòng)程序(USBD)的通信。然后, US2BD會(huì)選擇兩種主控制器驅(qū)動(dòng)程序之一來同其下方的主控制器進(jìn)行通信。最后,主控制器驅(qū)動(dòng)程序會(huì)直接實(shí)現(xiàn)對(duì)USB 物理總線的訪問。在USB可用之前, 必須對(duì)其進(jìn)行配置和接口選擇, 然后所選擇接口的各個(gè)管道才是可用的。在USBDI的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程將大大簡化, 用戶不用關(guān)心IRP的類型, 而只需要在相應(yīng)的分發(fā)例程中通過構(gòu)造USB塊并將其通過USBDI發(fā)送下去,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備的控制[5]。

      3 結(jié)束語
      USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它具有安裝方便，支持即插即用，易于擴(kuò)展，電磁干擾小，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用ARM7 芯片LPC2132和USB 2．0接口控制芯片ISP1581，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，使用信號(hào)發(fā)生器生成8路模擬信號(hào)并將其接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端，在PC機(jī)上可顯示出對(duì)應(yīng)的8路模擬信號(hào)波形，單路采樣率為150 kSPS，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，證明了設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性。

      參考文獻(xiàn)
      [1] 王立萍，吳黎明．基于嵌入式USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā) [J]． 電子測(cè)量技術(shù)，2007，30（9）：24~26
      [2] ISP1581 Users Manual [Z]．Philips Corp
      [3] 周立功,張華．深入淺出ARM7[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005．52~53．
      [4] 張廣利，閻有運(yùn)．基于AT89S52的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J] ．儀器儀表用戶，2008，03：33~35．
      [5] 周沖，劉鎮(zhèn)．基于AT89S52的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J] ．科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（22）：5935~5938

      作者簡介：
      閆石磊  男，1982年出生，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生。主要研究方向：無損檢測(cè)與故障診斷。

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