USB接口无线数据采集系统设计

1、第 35 卷第 1 期中国测试Vol.35 No.12009 年 1 月CHINA MEASUREMENT & TESTJan.2009USB 接口无线数据采集系统设计张洁（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）摘 要 ：近年来以无线片上系统（SoC）为核心的短距离无线通信技术得到迅速发展。结合无线传感技术和 USB 接口技术，应用基于增强型 8051 内核的无线单片机 NRF24E1、AVR 系列单片机和 Philips 公司的 USB 接口器件 PDIUSB12 所研制的 USB 接口无线数据采集系统，可以实现由计算机远端控制的无线数据采集与传输功能。该系统的软件设计包括无线

2、通信程序设计、单片机固件程序设计、计算机驱动程序设计和应用程序设计。使用结果证明，该系统操作简单，工作可靠，具有广阔的应用前景。关键词：NRF24E1 单片机；AVR 单片机；PDIUSB12 器件；USB 接口；数据采集中图分类号：TP334.7；TP274+.2文献标识码：A文章编号：1674-5124（2009）01-0050-03Design of wireless data acquisition system based on USB interfaceZHANGJie（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong Univ

3、ersity，Chengdu 610031，China）Abstract: In recent years，the short distance wireless communication technology based on the wireless system-on-chip （SoC） has been developed rapidly. The function of wireless data acquisition and communication，which was remotely controlled by PC，can be realized through co

4、mbining wireless sensor technology with USB technology and using the wireless MCU NRF24E1 with embedded 8051 compatible microcontroller，AVR MCU and wireless data acquisition system of Philips PDIUSB12 with USB interface. The software designs of this system were composed of programs of wireless commu

5、nication， MCU firmware， PC device driver and application. The application results proved that this system is of advantages such as easy to operate， reliable and stable. Thus it has a broad application prospect.Key words: NRF24E1；AVR MCU；PDIUSB12；USB；Data acquisition1引言随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制

6、造技术的飞速发展，具有感知、控制、计算存储和通信能力的无线传感器出现在军事、工业、农业和宇航等各个领域，有着巨大的发展前景1-3。另一方面，通用串行总线（USB）则使计算机更加小型化、外设安装简便和易于扩展。未来的计算机将是一个密闭设备，所有的外设都将通过 USB 类接口连接。USB 接口的易于扩展、即插即用、支持热插拔等特点使其具有广阔的应用前景4。作者综合应用无线传感技术和 USB 接口技术研制了 USB 接口无线数据采集系统，实现了由 PC 机远端控制的无线数据采集与传输功能。收稿日期：2008-05-23；收到修改稿日期：2008-08-06作者简介：张 洁（1975-），女，重庆市人

7、，副教授，博士，主要从事现代测控技术领域的教学与科研工作。2 系统组成与功能近年来以无线片上系统（SoC）为核心的嵌入式短距离无线通信技术得到迅速发展，典型应用包括无线局域网、无线计算机外设、无线安防系统等等，在军事和工业民用领域有广阔的应用前景。所谓片上系统（SoC）是指以应用为目的，软硬件可裁减的，满足应用系统在功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面要求的专用处理器系统。片上系统一般具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合实时和多任务处理。系统硬件包括无线数据采集模块和 USB 接口无线数据通信模块，系统结构如图 1 所示。两个相同的无线收发模块是实现无线通信功能的核心，所发射

8、的电磁波信号能绕过障碍物长距离无线传输。2.1无线数据采集模块无线数据采集模块包括传感器电路、单片机 ATmega16 和无线收发模块。第 35 卷第 1 期张洁：USB 接口无线数据采集系统设计51传无线感ATmega16收发器无线数据采集模块无线收发计算机AT89S52 PDIUSB12USB 接口无线数据通信模块图 1系统构成ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。它具有如下特点：16K字节的系统内可编程 Flash；512 字节 EEPROM；1K字节 SRAM；32 个通用 I/O 口；32 个通用工作寄存器；三个具有比较模式的灵活

9、的定时器/计数器（T/C）；可编程串行接口等。AVR 系列单片机 ATmega16 用于控制传感器信号的数据采集。ATmega16 内置 8 通道 10 位精度的逐次逼近式模/数转换器，这里用其 PA 口作为 8路 ADC。采样转换所得的数字信号由无线收发模块发射电磁波信号长距离无线传输到接收端。目 前比较实用的短距离无线通信技术包括802.11 技术、蓝牙技术以及 IrDA 技术等等。综合考虑硬件设计复杂度、接口方式、开发周期、开发成本以及通信距离等因素，本设计采用无线单片机 NRF24E1 构建无线收发模块实现数据的无线传输。无 线 收 发 模 块 由 无 线 单 片 机 NRF24E1、

10、EEPROM、印制板天线构成。NRF24E1 是全球 2.4GHz通用的功能完整的射频系统级芯片，集成了增强型 8051 内核、无线收发器等，通过软件编程来设定收发频率、无线传输速率、有效数据的长度等无线通信参数5。上电后 EEPROM 中存储的程序下载到 NRF24E1 的 RAM 程序运行空间。发送与接收程序主函数流程图如图 2、图 3 所示6。2.2USB 接口无线数据通信模块单片机 AT89S52 用于接受 PC 机命令信息，解析采样参数发送给无线收发模块，并对无线收发模块传送来的采样数据，依据 USB 协议来完成对数据的打包并 通过 Philips 公 司 的 USB 接 口 器 件

11、 PDIUSBl2 传送至 PC 机。AT89S52 和 PDIUSBl2 通过 8 位并口数据总线进行数据传输，两者之间的数据传输速率最快可达到 2MB/s。PDIUSB12 是性能优异的 USB 接口器件，支持初始化 NRF24E1否发送数据?是发送数据包图 2发送程序流程图初始化 NRF24E1进入接收状态否是否收到匹配数据包?是数据传送图 3接收程序流程图本地 DMA 传输，能适应大多数设备类规范的设计。 PDIUSB12 集成了 SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性，这些特性使得系统实现时能节省成本，在外围设备开发上也很容易实现更高级的

12、USB 功能。当 PDIUSB12 接收到主机的有效信息时，会产生一个中断由单片机进行处理。AT89S52 中固化的程序结构如图 4 所示。主循环中断服标准厂商务程序请求请求PDIUSBl2 命令操作硬件接口操作图 4通信程序结构上电后 AT89S52 执行初始化程序，开中断，对 PDIUSBl2 的模式进行设置，随后进入主循环，等待处理接口芯片的中断请求。PDIUSBl2 端点 0 设置为控制传输类型；端点1用来进行设备控制信息的传送，数据量不多，但需要及时响应，定义为中断传输类型；端点 2 用来上传数据，对时间要求不高而数据量较大，因此定义为批量传输类型。因此，该模块 USB 驱动程序需要

13、支持控制、批量、中断三种传输形式。本设计选用 NuMega 公司的 DriverStudio 作为52中国测试2009 年 1 月开发工具编写 WDM 设备驱动程序。WDM 型驱动程序是通过各个回调例程的组合而形成的，每个回调例程都有明确的函数原形。当 WINDOWS 系统发现满足某个回调例程的调用条件时，就会自动地对相应的回调例程进行调用，调用结束后，返回 Windows 系统。WDM 驱动程序模型不但实现了核心模式描述的设备驱动程序的标准结构，而且还为常见类型的设备实现了一个模块化的、分层次类型的总线驱动程序和类驱动程序。其总线驱动程序支持 USB 协议。本设计应用 VC+编写了与用户交互

14、的界面程序，用于获取设备硬件描述符、设置采样通道、采样频率、启动采样，并进行采集数据显示和保存等。3 结束语近年来，无线传感技术的巨大应用价值得到了各国政府、科研机构和企业的高度重视，成为当今一大开发热点。传统的数据采集系统一般采用有线方式进行传输。与有线传输方式相比，在环境有特殊要求的情况下，无线通信技术的优点尤为突出。本文运用先进的无线传感技术和 USB 接口技术研制了 USB 接口无线数据采集系统，实现了由PC机远端控制的无线数据采集与传输功能。出于降低软件复杂性以及增强无线收发模块通用性的考虑，设计中采用了两个微控制器分别控制无线收发和数据采集/通信，使系统易于调试和维护。无线传输方式

15、可以避免信号传输线的牵绊，能耗低，信息处理能力强。使用结果证明，该系统操作简单，工作可靠。射频收发器件的 PCB 布局对整个系统的性能影响很大，应尽可能减少数字电路对高频模拟线路的影响。天线的选用直接影响有效通信距离，可使用单鞭天线、螺旋天线或布在 PCB 板上的环形天线。环形天线使用方便、成本低廉，但由于其辐射能力较差，所以收发距离短。选用单鞭天线时，若其长度取为波长的 1/4，则有效通信距离最大达几百米。固件程序的编写是 USB 外设开发中非常重要的环节，它直接影响系统数据传输速度。设置不同的分组大小、传输缓冲区的大小等都会影响传输速率。本系统 USB 单一传输速率可达 9kb/s，能够满

16、足工程应用的需要。选用不同的传感器可以使本设计广泛应用于诸如对放射性和污染地区的环境检测、探测雷区和城市搜救等领域，在军事和工业民用领域有广阔的应用前景7-10。过去 20 年间，PC 机的广泛应用得益于集成电路和通信技术的发展，并且极大地促进了集成电路和通信技术的发展。在可预见的将来，可移动的、便携的、实时嵌入式信息处理设备必将与许多实际应用相结合，必然会极大地拓展嵌入式应用的广度和深度，体现嵌入式系统与实际应用密切结合的价值。参考文献1 李晓维无线传感器网络技术M.北京：北京理工大学出版社，2007.2 Elnahrawy E. Ten emerging technologies that will change the worldJ. Technology Review，2003（1）：106.3 Akyildiz I F，Su W. Wireless sensor networksJ. Computer Networks，2002，38（4）：393-422.4 王 殊.无线传感器网络的理论及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.5 吴功宜.计算机网络高级教程 M. 北京：清华大学出版社，2006.6 尹 勇.Uvision2 程序设计及 USB 固件开发