基于USB接口的數據采集系統設計

趙 麗，張春林

(1.長春職業技術學院，長春 130033;2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033)

目前，嵌入式系統已經無處不在，運用數據采集系統可以對生產過程中的工藝參數進行監測，也可對過程參數進行記錄。基于USB接口的數據采集系統設計以32位嵌入式芯片為控制核心，通過數模轉換將傳感器輸出的模擬信號變換成數字信號，計算機對該數字信號進行相應的處理，包括邏輯判斷和數學運算，最后獲得需要數據。

USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)使用方便、速度快，易于擴展，該技術將會逐漸取代傳統傳輸方式在數據采集系統中的應用［1］。

1 總體方案設計

本系統是一種便攜式數據采集系統，采用了ARM微處理器和USB2.0接口。系統硬件是在計算機基礎上，搭配USB接口的下位機硬件板卡。系統硬件結構框圖如圖1所示。系統軟件由PC的控制軟件和下位機嵌入式的軟件兩部分組成。

外界需要測量信號經過傳感器的檢測，再經測量儀器放大電路的放大后，便可得到質量較高的信號，即被測信號進入下位機硬件系統。在ARM微處理器內部，將模擬信號經過AD轉換變成數字信號，通過USB接口，數據被傳送給上位機。上位機可對下位機進行控制及相關信息顯示［2］。下位機具有較強的數據運算和處理能力，可進行數據的采集和運算，也可以響應上位機的控制指令，對系統進行基本控制。

圖1 系統硬件框圖

2 硬件系統設計

2.1 信息采集系統設計

系統微處理器選用了PHILIPS公司推出的16/32位RISC芯片LPC2378，數據采集系統以LPC2378為核心，配合外圍電路可進行數據的采集、轉換、存儲、異常報警等。LPC2378芯片內部自帶ADC轉換器，可將外部采集到的模擬電信號轉換為可以處理的數字信號，并通過LPC2378內嵌的USB微處理器來進行電信號的上傳［3］。系統硬件總體結構如圖2所示。

LPC2378內部的A/D轉換器包含一個控制寄存器ADCR和一個數據寄存器ADDR，A/D轉換器的工作方式和運行狀態是由這兩個寄存器來完成的。A/D轉換器中設有專門的中斷使能位。A/D轉換開始前先寫入ADCR寄存器來設置工作模式，轉換結束后的數據從數據寄存器ADDR讀出，該寄存器包含一個轉換完成標志位DONE位和10位的轉換結果。

圖2 系統硬件總體結構框圖

LPC2378包含一套局部總線，該總線可與片內ARM7存儲器及控制器接口、一個ARM7TDMI-S CPU，該CPU能進行仿真，并包含一套AMBA高性能總線(AHB)和一套VLSI外設總線(VPB)，AHB能與中斷控制器接口，VPB可連接片內外設。

2.2 LPC2378ARM USB設備控制器

USB設備控制器與LPC2378 ARM內核總線之間的接口如圖3所示，LPC2378 ARM USB設備控制器的結構框圖清楚地顯示了USB設備控制器的內部結構。

圖3 LPC2378 ARM USB設備控制器結構框圖

LPC2378 ARM通過相關寄存器來實現對USB設備控制器的控制。這些寄存器都工作在AHB時鐘域。CPU可以直接訪問這些寄存器，最小AHB時鐘頻率為18MHz，所有寄存器都按字地址邊界對齊，32位寬。

LPC2378 ARM內部具有一個完全兼容USB2.0全速規范的USB設備控制器，為提高了芯片性價比，USB設備控制器嵌于LPC2378 ARM CPU內部［4］。

2.3 LPC2378 ARM USB硬件電路設計

LPC2378帶有2個USB接口-USB1和USB2。本系統僅需要使用其中一個，即利用其中的USB1接口設計了的USB功能設備，如圖4所示。

USB1的USB總線數據線為P0.29(D+)和P0.30(D-)，只需將2個匹配電阻(阻值為22歐)接到這2個引腳和USB接口USB1的第三腳和第二腳即可。

圖4 LPC2378 ARM USB接口電路

為有效控制主機與USB設備之間的連接，接口電路使用LPC2378 ARM的P2.9(只能使用該引腳)來實現軟件連接特性。當P2.9為高電平時，主機斷開與USB設備的連接，D+線斷開與VDD3.3的連接;P2.9為低電平時，主機與USB設備建立連接3，D+線通過R21(1.5KΩ)上拉到VDD3。

USB1的第一引腳通過一個1kΩ的限流電阻與專用檢測引腳P1.30相連接，用來檢測USB線是否已經插入。

如果USB總線已經處于活躍狀態，發光二極管LED2能夠表征USB總線的運行狀態，如USB設備枚舉成功，則點亮LED2，如USB處于正常通行狀態，則使LED2閃爍，如USB設備處于懸空狀態或通行不正常，則熄滅LED2。

靜電釋放器件U6選用了PRTR5V0U2X，它是專門用于高速數據線或高頻信號線的保護器件，可防止靜電損壞芯片。LPC2378的USB2接口電路所接的I/O口與USB1接口電路的I/O口不同，其它用法均相同。

3 系統軟件設計

3.1 LPC2378 ARM USB固件程序設計思想

盡管LPC2378 ARM內置的USB控制器已經較為智能，但是再智能的硬件也不可能滿足客戶的所有要求。固件程序的設計思想就是根據用戶實際的需要，設計程序流程，編寫軟件程序，確保USB通信任務能夠順利完成。固件程序首先是完成設備配置，設備配置包括獲取設備信息集、識別接口信息和獲取設備路徑名，其次是接收USB主控制器發來的信息，并且能夠向主機發送信息。

固件程序設計包括三個層次，第一個層次是USB設備硬件抽象層，該層的全部函數用于配置LPC2378 ARM USB設備控制器;第二個層次是USB設備接口命令層，通過對相應寄存器的讀/寫來完成對LPC2378 ARM中USB設備控制器的訪問，可采用函數程序的編寫完成本層對相關寄存器的操作，協議層和應用層也能夠隨時調用;第三個層次是協議層，USB設備的所有請求都是協議層處理的;第四個層次是應用層，應用層基本上完成控制器的所有功能，包括抽象層、命令層、協議層的功能，也都是應用層來控制完成的。

為使USB功能設備在總線上達到最大的傳輸速率，才設計了固件(Fireware)程序，固件程序主要處理USB事務，這樣使MCU有更多空閑時間去處理其它的工作。固件程序一般采用中斷控制方式。為確保最高的傳輸速率和簡化固件程序，當微處理器在處理前臺任務的時候，后臺USB的傳輸可同時進行［5］。

其中一個端點與前臺和后臺數據的交換過程如下:

(1)USB總線上的數據傳輸到控制器內部，制器申請中斷。

(2)進入中斷服務程序后，進行數據的接收并存儲。

(3)退出中斷程序后，前臺對剛接收和存儲的數據進行處理。

(4)假設要發送數據到USB主機，將數據發送到LPC2378 ARM USB發送端的緩沖器中。

3.2 上位機識別程序設計

USB HID類上位機識別過程流程如圖5所示。

在應用程序可以開始與HID交換數據前，應用程序必須先識別該設備，并且讀取它的報表信息，這些動作需要調用一堆的API函數［6］。應用程序應首先識別連接到系統上的HID設備，在和USB設備進行通信前，也一樣要進行這些操作，包括獲取設備信息集、識別接口信息和獲取設備路徑名及打開設備。

4 結語

基于USB 2.0的數據采集系統是一種USB接口通訊設備，能進行設備與主機的通訊，主機將本系統作為一個HID類設備使用，無需編寫煩瑣的驅動程序就可實現PC主機與本系統的數據通訊，因此大大縮短了開發周期，提高了開發效率。

圖5 USB HID類設備的PC識別過程

［1］黃潔.基于USB2.0的數據采集系統的研究與設計［J］.自動化技術與應用，2009，28(11):47-50.

［2］畢宇輝，黃成軍，郭燦新，等.基于USB2.0協議的DSP高速數據采集系統的設計［J］.江蘇電機工程，2006，25(5):41-44.

［3］李蘭，寧永海.基于CH372的USB數據采集系統的設計與實現［J］.微計算機信息，2007，23(34):76-78.

［4］朱曉錦，吳小軍，李帆.基于雙核處理器的機敏結構振動主動控制器設計［J］.計算機測量與控制，2010(2):366-369.

［5］喬鵬，葛寶臻.基于USB總線高速數據采集系統［J］.電子測量技術，2003(4):13-17.

［6］謝成山，薛磊，陳家松，等.Windows環境下USB應用程序實例的開發［J］.計算機工程，2004(14):196-196.