电子测量设备USB数据采集系统设计

张鹏义

（江苏省宿迁经贸高等职业技术学校，江苏宿迁，223600）

电子测量设备USB数据采集系统设计

张鹏义

（江苏省宿迁经贸高等职业技术学校，江苏宿迁，223600）

USB接口是目前数据通信中使用较多的接口类型，由于该接口支持设备热插拔而且传输速度特别快，所以很受欢迎。本文叙述了利用单片机AT89S52和USB接口芯片PDIUSBD12设计一个电子测量设备USB接口电路,可用作PC机和微处理机间传输数据的通路,以使PC机对各种设备进行控制。

单片机；USB接口；数据传输

0 引言

USB接口是一种快速的,双向的,同步传输的,廉价的,并可以进行热拔插的串行接口。本文主要介绍一种新型的电子测量设备USB接口电路,该电路可用作PC机和微处理机间传输数据的通路,以使PC机对各种设备进行控制,制作串行口硬件并编写有关软件，使PC机和微处理机之间可交换数据。

1 系统硬件模块组成

电子测量设备USB数据采集系统如下图所示：该系统主要由USB通信接口、数字I/O端口、A/D转换电路以及单片机系统组成。整个系统的模数转换模块、数据采集单元电路仍然使用传统的设计思路，主要通过判断数据采集需要的精确度、传输速度等参数要求挑选相关的处理芯片，保证数据正确性、及时性、抗干扰性要求。

图1 USB数据采集系统框图

原先的USB接口电路设计主要采用普通单片机配上特殊的USB接口管理芯片组成的模式。这种模式下单片机主要起控制USB芯片的作用，专用的USB接口管理芯片带有电气通信接口，并且能够将自身的模拟信号转换成逻辑电平，送给单片机处理，同时又能将单片机输出的逻辑电平转换成模拟信号传递下去。整个系统主要有单片机、USB接口芯片及其他相关电路组成。

现在市场上除了传统的USB接口电路外，各大单片机生产商为了提高整个数据传递的可靠性和速率，不断研制新型单片机，该单片机不但能够控制系统工作，而且直接具有USB接口管理芯片的功能。使用新型单片机构成的USB数据采集系统可以在一定程度上简化电路结构，而且系统稳定性也得到较大提高。本文设计的方案采用Atmel公司的AT89S52单片机和Philips公司的PDIUSBD12接口芯片构成系统，设备可靠性高，成本相对而言也比较低。

2 系统工作原理

系统的电路图如下图所示，从图中可以看出，设备电路在形式上就是一个单片机系统。其核心元件就是具有管理USB通信特殊功能的单片机芯片，整个系统均由单片机发出的信号控制。在设备电路中，真正起到USB设备作用的只有单片机和USB接口芯片，其他外围电路通过单片机发出的指令工作。

系统电路工作原理如下：当U10芯片接收到采样电路发送来的数据时，它会立即向U1发出中端请求信号，U1芯片根据接受到的信号进行分析，然后通过自身的程序指令将U10芯片接收到的数据从内部缓冲区移到循环数据缓冲区，然后再发出清零指令给U10，以便其继续采集新的数据，从而完成系统的通信与数据传递。

在本系统中USB接口管理芯片U10通过在单片机U1的控制下主要实现以下几点功能：1）模拟数据收发功能，数据主要经过USB接口以及相关电阻组成的电路进行传递。2）自动调整输出电压功能，U10芯片内部集成一个稳压模块，可以产生一个3.3V的输出电压，此电压主要用于给模拟收发电路提供工作电压，这个电压可以通过外接电路进行自我调整。3）锁相功能，芯片内部同时集成1个6-48MHz的倍频PLL（锁相环）,从而减少数据传输过程中的干扰。

图2 系统电路图

3 系统软件程序设计

该数据采集系统的软件设计主要指系统主控制芯片的的软件程序编写，整个软件程序主要包括三个部分：首先是设备初始化设计；其次是数据收发主循环设计；最后是中断服请求与应答程序设计。整个软件设计思路是，首先主机发出请求给单片机，然后单片机发送令牌包给USB设备，USB设备在接收到指令之后立即给单片机发出中断请求，此时单片机进入中断服务程序，执行相关读写操作。整个软件设计流程主要包括：主循环工作流程、中断处理流程、控制输入/输出处理流程、普通输入/输出处理流程、获取状态工作流程、设置特性工作流程、清除特性工作流程、设置地址工作流程、获取描述符工作流程、设置配置工作流程等。

4 结语

本文设计的USB数据采集系统既有对原始信号的采集，又有对数据的处理，所以采用了上下位机、主从式结构。下位机采用单片机，通过其扩展系统采集数据。上位机采用便携式PC机，来控制下位机的动作和处理下位机采集的数据。上下位机通过USB总线来传送命令和数据。在系统硬件电路在设计环节，采取了同时分两路进行数据采集和数据通信的原理，从而在很大程度上提高数据传输率。

[1]周立功.PDIUSBD12 USB固件编程与驱动开发(第一版)[M].北京航空航天大学出版社,2003.

[2]胡建.基于USB总线的数据采集系统设计[M].北京航空航天大学,2015.3.

Electronic measurement device USB data collection system design

Zhang Pengyi
(Jiangsu suqian economic and trade high vocational technical school,Suqian Jiangsu,223600)

USB interface is the most common type of interface used in data communication. Since this interface supports hot plug and pull and transmission speed is very fast, it is very popular. This paper describes the use of single-chip microcomputer AT89S52 and USB interface chip PDIUSBD12 USB interface circuit design an electronic measuring equipment, used for data transmission between PC and microprocessor pathway, to give the PC to control a variety of equipment.

single chip computer;USB interface;data transmission