基于USB2.0的数据采集系统的设计

1、基于 USB2.0 的数据采集系统的设计、引言数据采集是获取信息的基本手段，是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字信号，并送入计算机 进行存储、处理和输出处理结果的过程。实现数据采集的系 统称为数据采集系统。数据采集的任务就是采集传感器输出的模拟信号并转号，换成计算机能够识别和处理的数字信号，然后送入计算机和 相应的信号处理系统得出所需数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示、打印和记录，以便实现对某些物理量的 系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要 取决于它的精度和速度。监视，其中部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制、数据采集系统硬件本系统是以USB2.0总

2、线实现数据采集系统与计算机的通信交互系统。这些核心组件包括 DSPUSB接口芯片、CPLDA/D 转换芯片、存储器等。本系统主要有数据采集和数据传输两大部分组成。由CPLD进行逻辑控制，负责数据的采集，DSP进行数据处理，USB2.0接口负责数据的传输。一）根据系统结构设计的要求，整个系统具体包括以几部分1、构建系统硬件平台是实现系统处理功能的基础。硬件模块包括：USB2.0接口模块、电源模块、时钟模块、复位 模块、外部存储器空间接口等；2、 U S B2 . 0接口的软硬件设计，是系统与计算机的交互成功的关键；3、数据采集电路， 将输入的模拟信号转化成数字信号，涉及到模数转换器件；4、由于采

3、集到的数据的信息量较大，只靠DSP内部RAM来存取数据是远远不够的，需要外扩大容量的存储器来存储 采集的数据；5、为了减少系统的体积，优化频率特性，降低调试难度，系统中所需的译码电路、数据锁存电路、同步和控制电 路集成在可编程逻辑器件 CPLD中，通过编程实现。二）原理概述系统加电后，由DSP完成自身和USB接口器件的初始化。在系统通过USB接口连接到PC机的前提下， Windows硬件向导发现新硬件，根据设备类型和 INF 文件的说明，载入本系统的 WDM 驱动程序，系统开始正常工作。由DSP启动对数据的采样，通过扩展的I/O 口，发送控制信号到 CPLD控制信号主要由开始采集、采集出错、采

4、集完成等几个状态。号，CPLD旦接收到开始采集信号，就立刻向A/D转换器发送采集控制信启动 AD转换。为了实现 SRAM中数据地址的同步，将转换的数字信号送往 CPLD进行缓冲，然后送 SRAM供DSP读取。DSP通过查询和中断方式，监控CPLD发出的中断信号，旦接收到CPLD发出的中断信号，DSP读取某路的数值并与初始数据比较，根据比较结果继续向CP LD发送控制信号，如果此时的控制信号为采集完成信号，号，则DSP在通知CPLD停止采集的同时，延时一段时间后再读取SRAM,然后在内部进行处理，将处理结果放在存储器中。至此，触发USB请求，使能USB端点，启动一次USB传输，将结果送 往PC机

5、。三）各部分功用1、USBUSB是应用在 PC领域的接口技术。 USB2.0版本是目前电脑中的标准扩展接口。目前主板中主要是采用USB1.1 和USB2Q各USB版本间能很好的兼容。USB用一个4针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目 前的主板一般都采用支持 USB功能的控制芯片组，主板上也安装有USB接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上还预留有USB插针，可以通过连线接到机箱前面作为前置USB接口以方便使用。而且USB接口还可以通过专门的 USB连机线实现双机

6、互连，并可以通过 Hub 扩展出更多的接口。 USB具有传输速度快，使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立 供电等优点，可以连接几乎所有的外部设备。该部分完成系 统同 PC 机之间的数据传输和人机交互。2、DSP技术DSP芯片内部采用程序空间和数据空间分开的哈佛结构，器、具有专门的硬件乘法器、采用流水线操作，并提供特殊的指 令，是一种复杂指令集的微处理器 .该部分包括DSP与外围存储器的接口设计，它是整个系统设计的处理核心。采集完毕 后，DSP便可访问SRAM的数据，并完成后续的处理工作， 处理的结果可以通过 JTAG接口在CCS中获得。3、CPLD技术CP LD技术就是利用门阵列代替通常的TT

7、L电路来实现各种逻辑控制。在软件平台的支持下，可进行功能仿真和在系 统编程（ISP），从而简化硬件的设计和调试工作，缩短开发周期。在CPLD中，做了有关锁存器、译码器及时序控制电路等设计。该部分具有以下几个功能：控制 AD 的时序；2)SRAM的数据地址总线控制器和读写控制信号;DSP扩展I/O 口的地址译码;数据锁存功能。4、数据存储由于DSP内部RAM远远不能满足数据量的要求，所以需要采取外扩存储器 SRAM来实现数据的存放，将 CPLD采集到的数据暂存在 SRAM中，然后通过DSP的读指令进行读操作，这里SRAM具有数据缓存的作用。5、AD 转换模块DSP只能对数字信号进行处理，因此需将

8、接收到的模拟信号转变成数字信号。另外，DSP还负责SRAM的访问权。在系统中，DSP和CPLD都要对SRAM进行访问，必然会产生SRAM的访问权冲突问题，针对这一问题，通过DSP的管脚XF来解决，当XF输出为0时，DSP访问SRAM，否贝农CPLD访问SRAM。缓冲就是为了防止地址数据复用所设置的。三、固件程序规划（驱动程序） 按照结构化的程序设计方法，将整个程序分为几个不同的功能模块。这样既易于编程，也可以增强程序的可读性。固件程序框架流程图程序一开始执行，固件架构会执行以下的步骤：一）初始化所有内部寄存器变量，然后调用用户初始化程序函数TD- Init，进行用户自定义变量的初始化工作。二）

9、在完成全局变量的初始化工作之后，程序框架就会将USB接口初始化为未配置状态，并且使能中断。然后程 序就以一秒钟为间隔开始重新列举设备（也就是软件模拟设 备断开和重新连接） ，直到端点 0 收到设置包为止。旦检测到端点 0 收到设置包，固件框架程序就开始启动执行一个互操作的任务分配器，这个任务分配器按 照给定的顺序重复执行下面的任务：1、调用函数 TD- Po11。 TD- Po11 函数包括一个执行用户外围功能的状态机，在从这个函数返回主函数之前，高优 先级的任务首先被执行。然而如果没有成功的从这个函数返回的话，将会阻止固件程序对设备请求和USB挂起事件的响应。如果该函数内的任务需要大量的处理

10、器时间，那么这些 任务必须被分割到多个 TD- Poll函数的调用中执行。2、判断是否有标准设备请求等待处理。如果有，任务处理器就分析收到的命令请求，并且做出适当的响应。3、确定USB核是否报告了 USB挂起事件。如果有，则调用用户函数TD- Sus pend;如果能够成功返回，任务处理器就测试一个回复时间；如果没有监测到恢复事件，处理器就 被设置到挂起模式;如果检测到恢复事件，便会调用用户函 数 TD_ Resume。四、结论USB设备的应用目前在国外处于高速发展并日趋完善的阶段，在国内比如在数据采集、工业控制等领域已经得到成 功应用。参考文献：1张雄伟，等.DSP芯片的原理及研发应用M.北京:电子工业出版社， 20032Philips