基于usb总线的多功能数据采集卡的硬件设计

基于usb总线的多功能数据采集卡的硬件设计内容摘要：

双 口 USB 接 AD 转 RAM 多路选择 口芯片 换器 多 路 定 时 计 信号 数器 主机 图 33 USB 数据采集系统模块图 经过比较以上三种总体方案应选择了第三种方案因为该方案系统应具有 较好的实时性和较高的数据精度及数据完整 性受到干扰较小比其他两种更 为精确 3 ． 2 基于 USB 总线的数据采集卡的总体实现 数据采集系统 将输入的 模拟信号 转换为数 字信号通 过 USB 总线送到微机 形成数据文件并进行处理整个系统包括以下几个部分 1 采集设备 要求采样率 100KlM8 路差分输入或 16 路单端输入通过软件设置由定 时器或软件触发 2K4K 缓存可扩展 IO 口抗干扰性能较好 2 USB 接口 采用 USB 20 标准接口包括 USB 接口电路固件及 USB 用户驱动程序 USB 接口电路把采集到的数据按照 USB 协议转换为相应的 USB 数据格式通 过 USB 总线传送到主机并接收主机发送的命令固件完成数据的接收和发送 并按照收到的请求执行操作 8 基于 USB 总线的多功能数据采集卡的硬件设计 3 ． 3 USB 接口芯片的选择 [7] USB 接口设计中有三种芯片选择方案 1 选用设计成标准 USB 控制器的低层芯片例如 Cypress 公司的 CY7C63XXX 系列这类芯片是完全按照 USB 协议设计的但其结构不同于其 它常用控制芯片 2 采用具备 USB 通 信功 能 的 单 片机 例 如 IntelCypress 的8X931Cypress 的 EZUSB 这些单片机采用开发者熟悉的结构和指令集处理能力强构成 系统的电路简单调试方便是目前常用的一种方案 3 采用连接到一般微控制器的接口芯片例如 Philips 的PDIUSBDll12 National 半导体公司的 USBN960x 等 3 ． 3 ． 1 几款典型 USB 控制器芯片性能分析 USB 在基于 PC 的系统中得到了广泛应用而在嵌入式系统中应用不多 在 2020 年发表的 USB 20 规范将 USB 接口的速度从 12Mpbs 提 高到 480MPbs 200l 年又发表了 USB OTG On To Go 补充规范使外部设备可以摆脱 PC 机 实现在任何两台设备之间直接通信经过这两次升级随着有越来越多的带USB 接口的廉价外设可供使用有越来越多的嵌入式系统工程师 USB 接口技术应用 到嵌入式系统的设计中这种需求也促进了 USB 控制器芯片的研发给开发者 提供了越来越多的选择然而这又给选择带来了困难不同的 USB 控制器芯片 有不同的性能和特点以下对一些典型的 USB 控制器芯片进行分析和比较供 选择时 决策参考 从芯片大的构架来分市面上所有的 USB 控制器芯片可以分为不需要外接 微处理器的芯片和需要外接微处理器的芯片不需要外接微处理器的芯片又可 以分为 USB 接口专用芯片和嵌入通用微控制器内核的芯片 USB 接口专用芯片内部采用专用的微控制器具有特定的指令集如 Cypress 的 USB 系列和 Netcore 的 USB 系列的芯片其所能实现的功能有限 但是因 r 为指令集是专门为 USB 应用优化的指令集所以实现 USB 通信工作 非常方便 内嵌通用微控制器的 USB 控制芯片一般是在通用微控制器的基础上扩展 了 USB 功能其优点是开发者熟悉这些通用微控制器的结构和指令集相关资 料丰富易于进行开发如 Cypress 基于 5051 的 EZUSB 系列 Micochip 基于 PCI 的 16C7x5Motorola 基于 68HC08 的 68HC08JB8Atmel 基于 AVR 的 AT76C711 等 USB 控制芯片需要外接微控制器的芯片只处理与 USB 相关的 9 基于 USB 总线的多功能数据采集卡的硬件设计 通信工作而且必须由外部微控制器对其控制才能正常工作所以这些芯片必 须提供一个串行或并行的数据总线与微控制器进行连接此外还需要一个中 断管脚当数据收到或发送完这个中断管脚会向微控制器发出中断请求信号 其优点是芯片价格便宜而且便于用户使用自己熟悉的微控制器进行开发 总之 USB 芯片是一种集成了 USB 协议的微处理器它能自动对 各种 USB 事件做出响应以处理 USB 总线上的数据传输 USB 芯片按功能可以分为 USB 主控制器芯片 USB 集线器芯片和 USB 功能设备芯片 3 ． 3 ． 2 USB 芯片选择的其它相关因素 在进行 USB 项目开发时除了需要针对不同功能的应用对相应类型的不 同的 USB 芯片的特性进行比较分析以选择合适的 USB 芯片之外还有许多因 素值得我们考虑为了更好更快地完成项目的开发一般情况下还必须遵循以 下准则 1 需要熟悉芯片的硬件体系 结构和相关的固件编程语言以及详尽的硬 件文档 2 要有良好的 USB 芯片的开发工具包便于进行固件下载和调试的开发 系统 3 要有可以提供芯片固件的范例代码典型的 USB 设备驱动程序和界面 应用程序等开发人员只需在其基础上稍加修改即可使用 4 关于 USB 芯片的价格应尽量选择性价比最高的芯片对于批量生产 的 USB 设备可以选择提供 OTP 一次性编程 版本的 USB 芯片 由于 Cypress 公司的 EZUSB FX2 系列的 USB 芯片具有功能丰富易于开 发支持 USB20 等优点所以本设计采用了该系列中的 CY7C68013 作为 USB 的接口芯片 3 ． 4 PROTEL 99 SE 简介 本次设计采用了 PROTEL 99 SE 电路设计软件来实现基于单片机数据采集 与记录设备的硬件连接的电路设计以下结合本次设计中所用到的功能对 PROTEL 99 SE 软件作下简要的介绍 1 Protel 99 SE 的特点 Protel 99 SE Second Edition 是 Protel 软件家族中的重要成员是基于 Windows 9X 及以上版本操作系统平台的最高版本 Protel 软件包 Protel 99 SE 较以 [8] 前的版本出现了一些新的特点 10 基于 USB 总线的多功能数据采集卡的硬件设计 ① 使用了综合数据库文件所有与设计有关的文件都 可以打包在数据库文 件中使文件管理更加方便 ② 全新的网络设计组概念使大型系统设计更加易于管理 ③ 有丰富的自然语言帮助系统 ④ 增强的绘图及处理功能可绘制多种图线和处理图片 ⑤ 可灵活设计原理图元件库和 PCB 封装库 ⑥ 极佳的默认设计状态大部分默认参数均按最佳设计要求设置用户基 本上不需重新设置即可满足大部分设计要求 ⑦ 灵活的复制粘贴功能大大提高了设计效率 ⑧ 兼容性高除了兼容本公司的产品外还可用导入操作方式读取 Or CAD 设计系统文件 ⑨ 设计规则的自动监控允许用户按设计要求制定规则并在设计过程中 自动监控规则的执行保证设计工作按最佳进行 ⑩ 提供特殊字符串有些特殊字符串如 Print_Date 放置在文件中可 在特定时刻如打印将内容释放出来以获得更新的信息 2 Protel 99 SE 的功能及运用 Protel 99 SE 的主要功能包括电路原理图设计电路印制板图 PCB 设计 [9] 电路原理图的模拟仿真以及可编程逻辑器件 PLD 设计等 并增加了 PCB 板层数 PCB 组合打印 3D仿真 PCB 显示可选两种格式 Microsoft Access 格式 和标准 Windows 文件系统格式存储 DDB 文件以及其他一些使用功能 Protel 99 SE 主要由六大模块组成 ① Advanced Schematic 99 SE 主要用于编辑电路原理图零件库及生成各 种报表 ② Advanced PCB 99 SE 主要用于编辑电路板零件封装及电路板组件 ③ Advanced Route 99 SE 用于电路板自动布线 ④ Advanced PLD 99 SE 用于可编程逻辑器件的设计 ⑤ Advanced SIM 99 SE 提供模拟数字信号进行电路原理图仿真 ⑥ Advanced Integrity 99 SE 用于分析 PCB 设计和检查设计参数 11 基于 USB 总线的多功能数据采集卡的硬件设计 第四章 数据采集卡的硬件设计 一般多功能数据采集系统硬件部分由多路选择电路放大及采样保持电路 AD转换电路 USB接口电路等电路组成 [10] 本文设计的数据采集卡包括多路 选择电路 AD 转换电路 RAM 存储电路定时计数器和 USB 接口电路等部 分下面分别介绍了这些部分的结构和功能 4 ． 1 AD 转换部分设计 4 ． 1． 1 AD 转换芯片选择 本设计中采用了 AD 公司的 AD1671 芯片该芯片的的主要特点是最大 采集速度 125MHz 片内采样保持及电压基准低功耗 570mW 保证 12 位无 漏码 025v 177。 25v 05v 177。 5v 输 入 电 压 范 围 超 范 围 指 示 AD1671 是 28 脚 DIP 封装其主要引脚图如 41 所示 图 41。