基于USB数据采集系统的设计开发

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。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，USB2．0接口芯片ISP1581和PC机组成。USB数据采集系统硬件结构图如图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、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/s[2]。
      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Keil C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。

       
               图3 固件程序框图

      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。

      
             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(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，性价比高等优点。系统采用ARM7 芯片LPC2132和USB 2．0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）：24~26
      [2] ISP1581 Users Manual [Z]．Philips Corp
      [3] 周立功,张华．深入浅出ARM7[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．52~53．
      [4] 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，2008，03：33~35．
      [5] 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）：5935~5938