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基于USB總線的實時數據采集系統設計與實現
摘要：介紹了基于ＵＳＢ總線的實時數據采集系統的ＵＳＢ設備固件程序、驅動程序、應用程序的設計與具體實現。關鍵詞：通用串行總線 實時數據采集 設備固件 驅動程序
在現代工業生產和科學技術研究的各行業中，通常需要對各種數據進行采集。目前通用的通過數據采集板卡采集的方法存在著以下缺點：安裝麻煩，易受機箱內環境的干擾而導致采集數據的失真?熏易受計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制，可擴展性差。而通用串行總線ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）的出現，很好地解決了上述問題，很容易實現便捷、低成本、易擴展、高可靠性的數據采集，代表了現代數據采集系統的發展趨勢。
１ 系統硬件設計與實現
１．１ 硬件總體結構
基于ＵＳＢ總線的實時數據采集系統硬件組成包括模擬開關、Ａ／Ｄ轉換器、單片機、ＵＳＢ接口芯片，其硬件總體結構如圖１所示。多路模擬信號經過模擬開關傳到Ａ／Ｄ轉換器轉換為數字信號?熏單片機控制采集，ＵＳＢ接口芯片存儲采集到的數據并將其上傳至ＰＣ，同時也接收ＰＣ機ＵＳＢ控制器的控制信息。
１．２ ＰＤＩＵＳＢＤ１２芯片
ＵＳＢ接口芯片采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的一種專用芯片ＰＤＩＵＳＢＤ１２（以下簡稱Ｄ１２）。該芯片完全符合ＵＳＢ１．１規范，集成了ＳＩＥ、３２０Ｂ的多配置ＦＩＦＯ存儲器、收發器、電壓調整器、ＳｏｆｔＣｏｎｎｅｃｔ、ＧｏｏｄＬｉｎｋ、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等，支持雙電壓工作、完全自動ＤＭＡ 操作、多中斷模式，內部結構如圖２所示。
單片機通過８位并行接口傳送經過Ａ／Ｄ轉換的采集數據，存儲在ＦＩＦＯ存儲器中。一旦存滿，串行接口引擎ＳＩＥ立刻對數據進行處理，包括同步模式識別、并／串轉換、位填充／不填充、ＣＲＣ校驗、ＰＩＤ確認、地址識別以及握手鑒定，處理完畢后數據由模擬收／發器通過Ｄ＋、Ｄ－發送至ＰＣ。上述過程遵循ＵＳＢ１.１協議。Ｄ１２與８９Ｃ５１的具體實現電路如圖３所示。
２ 系統軟件設計與實現
系統軟件包括ＵＳＢ設備固件編程、驅動程序和應用程序。其中設備固件是整個系統的核心，它控制芯片Ｄ１２采集數據、接收并處理ＵＳＢ驅動程序的請求和應用程序的控制指令。
２．１ ＵＳＢ設備固件程序設計與實現
設備固件是設備運行的核心，用Ｃ語言設計。其主要功能是控制Ａ／Ｄ模塊的數據采集；接收并處理驅動程序的請求，如請求描述符、請求或設置設備狀態、請求設備設置、請求或設置設備接口等ＵＳＢ１.１標準請求；控制芯片Ｄ１２接收應用程序的控制指令等。其程序主框圖如圖４所示。單片機檢測到Ｄ１２后進入主循環。此時ＰＣ機先發令牌包給Ｄ１２，Ｄ１２接收到令牌包后給單片機發中斷，單片機據中斷類型設定標志位Ｓｔａｔｕｓ；最后執行相應標志位的中斷服務程序。單片機通過Ａ／Ｄ模塊的中斷入口控制Ａ／Ｄ模塊的數據采集。
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