基于USB接口的高速数据采集系统[1]

1、文章编号:100926825(2007 0920359202基于USB 接口的高速数据采集系统收稿日期:2006211201作者简介:闫爱青(19782 , 女, 硕士, 助教, 太原电力高等专科学校, 山西太原030013闫爱青摘要:在分析计算机数据采集技术的发展历史及发展趋势的基础上, 设计开发了基于USB 接口的高速数据采集系统,分析了高速数据采集的要求及特点, 提出了基于USB 接口的高速数据采集系统的设计方案和实现方法, 最后给出了单片机控制部分的硬件电路设计部分。关键词:数据采集系统,USB 接口,MSP430单片机中图分类号:TP274文献标识码:A1研究背景数据采集在现代工业生

2、产及科学研究中的重要地位日益突出, 并且实时高速数据采集的要求也不断提高, 如速度、分辨率精度、接口能力及抗干扰能力等。在信号测量、, 卡或, 卡存在很多缺点, , , 尤其是受计算机插槽数量、数量、地址、, 可扩展性差。USB (Universal Serial Bus 通用串行总线 是近年来应用在PC领域的新型接口技术, 是一些PC 大厂商, 如Microsoft 、Intel 等为了解决日益增加的PC 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准, 自1995年在Comdex 上亮相以来至今已广泛地为各PC 厂家所支持。现在生产的PC 几乎都配备USB 接口, Micr

3、osoft 的Windows98, N T 以及MacOS , Linux ,FreeBSD 等流行操作系统都增加了对USB 的支持。鉴于以上理由, 设计并实现一种基于USB 的高速数据采集系统是可行的。2USB 的优点随着各种类型的USB 产品的陆续推出, 其通信的优点越来越广泛地为人们所熟知。作为通用串行总线, USB 具有以下优点:1 使用方便, 连接外设不必再打开机箱, 允许外设热插拔而不必关闭主机电源。2 应用范围广, 传输速率范围大。3 具有同步带宽。保证带宽, 音频传输失真小。4 灵活。支持不同速率的设备。5 连接灵活。一个USB 口理论上可以连接127个USB 设备, 连接的方

4、式也十分灵活, 既可以使用串行连接也可以使用集线器Hub 把多个设备连接在一起, 再同PC 机的USB 口相接。6 独立供电,USB 接口提供了内置电源。7 成本低廉。8 易于升级。3单片机的应用单片机自问世以来, 性能不断地提高和完善, 其资源又能满足很多应用场合的需要, 加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点。因此, 在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛, 并且正在逐步取代现。, 由于功耗低, 使用, , 也进一步促使单片机的根据单片机的发展趋势, 未来的数据采集系统可能会有如下特点

5、:1 处理数据的速度不断加快。2 系统硬件设计会更加简洁。3 可靠性和安全性不断提高。4 更容易实现人机对话功能。5 通用性和二次开发性更好。随着电子技术的进步和超大规模集成技术的发展, 在工业领域中单片机的发展必然对数据采集系统的设计和使用产生深刻影响。所以, 研究一种单片机控制基于USB 的高速数据采集系统是电子技术发展的方向。4基于USB 的高速数据采集系统的原理及构件4. 1基于USB 的高速数据采集系统的工作原理基于USB 的高速数据采集系统是一个主从系统, 而非对等系统(peer 2to 2peer 。在主从系统中, 命令是由主设备发出, 而从设备只能接收命令, 只有在主设备读取数

6、据时, 从设备才能提交数据。如图1所示, 本系统由USB Smart Board 模块完成主机与单片机的通讯, 单片机负责外围功能模块的管理 。4. 2USB 系统构件USB 总线由以下4个主要部分构成:1 主机和设备:指USB 系统的主要构件。2 物理构成:不同的USB 元件的连接方法。3 逻辑构成:不同的USB 元件所担当的角色和责任, 以及从主机和设备的角度出发USB 总线所呈现的结构。4 客户软件与设备功能接口的关系。5MSP 430F 149单片机电路设计5. 1MSP430F149单片机该设计使用的核心是最近才兴起的新系列单片机MSP430, 它是一种超低功耗的混合信号控制器, 相

7、比于MCS51,MCS96及PIC 等系列, TI 公司的MSP430F 系列超低功耗单片机有很大的953第33卷第9期2007年3月山西建筑SHANXI ARCHITECTUREVol.33No. 9Mar. 2007优势。MSP430F 单片机有多种型号, 其功能组合各异, 能满足不同应用场合的要求。设计中采用的MSP430F149主要特点如下:工作电压低(1. 8V 3. 6V , 电流小(225A/1Mz/活动模式 ,5种低功耗模式;16位RISC 架构,27条精简指令,125ns 指令周期; 双向并行I/O 口P1P6, 多数口具有复用功能, 其中P1, P2设置成输入时, 引脚上任

8、何状态变化都会触发中断;12位A/D 转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描; 带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器A 与定时器B , 可产生定时脉冲, 捕获外部事件; 串行通信软件可选择UART/SPI ; 硬件乘法器; 安全熔丝的程序代码; 多达60K B ,FLASH ,ROM 和2K B ,RAM 。5. 2MSP430F149单片机外围电路设计单片机的外围电路主要由以下几部分构成:1 电路核心部分。包括MSP430F149单片机、 复位电路、晶振电路、在线编程电路和电源电路。这些都是完成数据采集处理的必要组成元素, 其主要任务是将数据通过单片机内部的A/D 模块采集到单片机中进行

9、必要的处理以及执行主机命令。2 J TA G 电路。它的主要功能是实现MSP430F149单片机程序的写入, 并可以在线调试。3 其他部分。包括8路模拟量输入、16路开关输入端口、8路开关量输出指示等。5. 3MSP430F149单片机电路核心部分设计如前所述, 数据采集系统的核心电路部分包括单片机、电源和复位电路等, 其原理如图2所示。图2上的Vcc 电源是经过电源电路转换的3. 3V , 它不仅是核心电路的供电电源, , 例如A/D 模块的基准电压。, , 6结语文中通过总结目前数据采集系统中存在的一些缺点, 提出了用单片机设计的基于USB 接口的高速数据采集系统的单片机电路设计部分。最后

10、通过实验证明, 该设计在实际中有一定的可行性和实用性。参考文献:1周立功. PDIUSBD12USB 固件编程与驱动开发M .北京:北京航空航天大学出版社,2002.2胡大可. MSP430系列单片机C 语言程序设计与开发M .北京:北京航空航天大学出版社,2003.3周立功. USB2. 0与O TG 规范及开发指南M .北京:北京航空航天大学出版社,2004.4胡大可. MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用M .北京:北京航空航天大学出版社,2000.5魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例M .北京:北京航空航天大学出版社,2003.High 2speed da

11、ta acquisition system based on USB interfaceYAN Ai 2qingAbstract :On the basis of analyzing the development history and trend of computer data acquisition technique , the author designs and develops high 2speed data acquisition system based on USB interface , analyzes the requirements and characters of high 2speed data acquisition , proposes design scheme and implement method of high 2speed data acquisition system based on USB interface ,