基于USB 数据采集系统的设计开发

1、基于USB 数据采集系统的设计开发摘 要：在数据采集系统中利用通用串行总线（USB）接口，提高了数据采集系统的传输速度，曾强了系统的抗干扰能力。本系统利用通用串行总线（USB）的高速传输功能，采用基于ARM7TDMI-STM 内核的LPC2132 主控芯片，将调制后的模拟信号进行AD7829 模数转换，完成数据采集后通过USB20 接口芯片ISP1581 实现与PC 机的快速数据传输，构成高性能数据采集系统。关键词：ARM7；USB 接口；数据采集中图分类号：TP274 文献标识码：A0 引 言目前，国内外的数据采集系统常用的数据采集卡有RS-232、RS-485 卡、PCI 卡、ISA卡等。

2、这些数据采集卡虽然有各自的优点，但是也有各自的缺点。例如：RS-232、RS-485卡的传输速度较慢，PCI 卡、ISA 卡需要插在主机的PCI 插槽或ISA 插槽上，使用不方便等。通用串行总线（USB）是一种新的接口方式，具有连接方便、支持热插拔、无需外接电源、传输速度高、功耗低等优点。USB 2.0 的最大传输速率高达480Mbps。因此，基于USB 的数据采集系统在通信、遥感、智能仪器仪表、工业自动化等领域得到了广泛应用。1 系统硬件设计该数据采集系统的硬件部分主要由A/D 转换器AD7829，LPC2132 微处理器，USB20接口芯片ISP1581 和PC 机组成。USB 数据采集系

3、统硬件结构图如图1 所示。图1 系统硬件结构框图数据采集系统的工作原理：由传感器采集的信号经调制电路放大、滤波等处理后，进入由微处理器控制的AD7829 进行模数转换，转换后的数字量进入微处理器LPC2132 并暂存在其中，随后由USB 接口芯片将数字量传递给PC 机进行数据处理，同时将PC 机端的客户应用程序发出的控制信号通过USB 接口传送到以LPC2132 为核心的数据采集系统1。1.1 USB 接口芯片该数据采集系统选用ISP1581 作为USB 接口芯片，ISP1581 是Philips 公司推出的一款高性价比的USB2.0 接口电路,支持7 个IN 端点,7 个OUT 端点和一个固

4、定控制IN/OUT 端点。ISP1581 支持SUB2.0 的自检工作模式和USB1.1 的返回工作模式，可以在高速或全速条件下正常运行。内部集成有串行接口引擎（SIE）、PIE、8KB 的FIFO 存储器、数据收发器、-2-PLL 的12MHz 晶体振荡器和3.3V 的电压调整器。该电路可直接与ATA/ATAPI 外设相连，并具有高速DMA 接口。传输速率最高可达480Mbps/s2。1.2 主控芯片和A/D 转换芯片为了满足速度的要求，主控芯片选用LPC2132。LPC2132 是Philips 公司的一款基于ARM7TDMI-STM 内核的微控制器，带有64kB 的嵌入的高速Flash

5、存储器和16kB 片内静态RAM。多达47 个5V 的通用I/O 口，1 个8 路10 位A/D 转换器，1 个10 位D/A 转换器，可提供不同的模拟输出。多个串行接口，包括2 个16C550工业标准UART、2 个高速I2C 接口（400kbit/s）、SPITM 和SSP。通过片内PLL 可实现最大为60MHz 的CPU 操作频率3。虽然LPC2132 自带1 个8 路A/D 转换器，但是其每通道转换时间是2.44us,达不到高速数据采集的要求，因此选用AD7829 模数转换器。AD7829 是一个8 路8 位模数转换器，最大转换率2Mbps，可以满足系统设计要求。1.3 硬件接口电路该

6、数据采集系统硬件连接图如图2 所示。图2 硬件连接示意图模拟信号经AD7829 转换后变为数字量，数据先存放在LPC2132 的寄存器里，再由LPC2132 将数据传送给ISP1581，在此将ISP1581 的缓冲区定义为8 个，分别写入8 路转换后的数据。而PC 机通过USB 接口与ISP1581 连接，ISP1581 负责分类和解释PC 机发来的信号，具体操作流程如下：PC 机发送给USB 设备的数据以包的形式写入ISP1581 的缓存中，当缓存被写满或数据发送完毕后，ISP1581 就给LPC2132 发中断信号，LPC2132 响应中断信号进入中断服务程序执行相应的包处理。USB 设备

7、不能主动向主机发送数据，只有当PC机要求USB 设备发送数据时，LPC2132 才将主机需要的数据写入ISP1581 相应端点的缓存中4。2 系统软件设计本数据采集系统的软件部分主要由：固件程序设计、应用程序设计和USB 驱动程序设计三部分组成。2.1 固件程序设计固件程序中AD7829 的转换脉冲/CONVST 是由LPC2132 的P0.18 口发出，当AD7829转换结束后输出有效低电平，LPC2132 接到有效电平后，发下一路地址（通过A0，A1，A2-3-的高低电平配置）给AD7829，然后读数据，当AD7829 的/RD 和/CS 信号有效时，将数据读人LPC2132 的数据缓冲区

8、的同时将下一路的地址打人，这样循环采集8 路模拟输入，直到数据采集结束。LPC2132 与ISP1581 之间的通信时靠LPC2132 给ISP1581 发送命令和数据来实现的。通过ISP1581 的INT 中断信号与微控制器LPC2132 的EINT0 口相连，当接收或发送数据成功时会产生中断，固件程序对这些中断进行响应并完成设备的配置。设备固件程序采用KeilC 进行编写，包括主循环程序、中断服务程序、USB 标准请求处理和批量数据传送请求处理4 部分。如图3 所示。上电/复位初始化加载固件代码设置采样间隔写采样控制字执行设备请求执行波形描述符启动采样有设备请求？YNNY图3 固件程序框图

9、2.2 应用程序设计应用程序包括Win32DLL 程序和用户应用程序。Win32 动态连接库是包含共享函数库的二进制文件，可以被多个应用程序同时使用。客户应用程序则是实现数据采集系统功能的软件程序，在本系统中采用Visual C+进行编写。2.3 USB 系统驱动程序设计USB 系统驱动程序采用分层结构模型，如图 4 所示。选用Microsoft 公司提供的Windows 驱动开发工具Windows DDK。-4-图 4 USB 分层驱动模型应用程序通过Win32 子系统利用一个Windows 定义的软件接口(API)来同根集线器驱动程序进行通信。而USB 根集线器驱动程序则要通过USBDI(

10、通用串行总线驱动程序接口)来实现同通用串行总线驱动程序(USBD)的通信。然后, US2BD 会选择两种主控制器驱动程序之一来同其下方的主控制器进行通信。最后,主控制器驱动程序会直接实现对USB 物理总线的访问。在USB 可用之前, 必须对其进行配置和接口选择, 然后所选择接口的各个管道才是可用的。在USBDI 的基础上进行编程将大大简化, 用户不用关心IRP 的类型, 而只需要在相应的分发例程中通过构造USB 块并将其通过USBDI 发送下去,就可以实现对USB 设备的控制5。3 结束语USB 数据采集系统优于传统的实时数据采集系统，它具有安装方便，支持即插即用，易于扩展，电磁干扰小，性价比

11、高等优点。系统采用ARM7 芯片LPC2132 和USB 20 接口控制芯片ISP1581，实现数据采集系统的软硬件设计开发。在实验测试中，使用信号发生器生成8 路模拟信号并将其接到数据采集系统的输入端，在PC 机上可显示出对应的8 路模拟信号波形，单路采样率为150 kSPS，达到系统设计的要求，证明了设计的正确性和实用性。参考文献1 王立萍，吴黎明基于嵌入式USB 数据采集系统的设计开发 J 电子测量技术，2007，30（9）：24262 ISP1581 Users Manual ZPhilips Corp3 周立功,张华深入浅出ARM7M北京：北京航空航天大学出版社，200552534

12、张广利，阎有运基于AT89S52 的USB 数据采集系统的设计J 仪器仪表用户，2008，03：33355 周冲，刘镇基于AT89S52 的USB 数据采集系统的设计J 科学技术与工程，2007，7（22）：59355938-5-Design and Realization of Data Acquisition System Based onUSBSu Weijia, Yan ShileiCollege of Mechanical and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning (123000)AbstractU

13、ses the Universal Serial Bus (USB) connection in the data acquisition system，enhanced the dataacquisition system transmission speed, has strong anti-interference ability of the system。The systemuses a Universal Serial Bus (USB) high-speed transmission，uses based on ARM7TDMI-STM theessence LPC2132 master control chip，will be modulated analog signals AD7829 analog-digitalconversion，after the compl