基于usb的数据采集器

基于usb的数据采集器内容摘要：

机外围电路见图 ，本图中未再画出）。 123IC3A74ALS00456IC3B74ALS00IN026msb21212220IN12723192418IN2282582615IN312714lsb2817IN42EOC7IN53ADDA25IN64ADDB24ADDC23IN75ALE22ref()16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10U5ADC0809NC1A122A73A64A55A46A37A28A19A010I/O011I/O112I/O213GND14I/O315I/O416I/O517I/O618I/O719CE20A1021OE22A1123A924A825NC26WE27VCC28AT28C64U6AT28C641 2U3A74ALS043 4U3B74ALS045 6U3C74ALS0489U3D74ALS04P3_6P3_7P0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7P[0_0..0_7]P[0_0..0_7]P0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7P[2_0..2_4]P2_0P2_1P2_2P2_3P2_4Q[0..7]Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q0Q1Q2Q[0..7]VCCGNDCLKENENSTARTP2_7PSENGNDVCCSTART1122334455667788991010111112121313141415151616J2CON16D 图 AT89C5131与 A/D转换器和存储器芯片的连接电路 单片机的 P0 口可分时输出低 8位地址和数据，为了把地址信息分离出来保存，需外加地址锁存器（图中为 74HC373），并由单片机的地址锁存允许信号 ALE 的下降沿将地址信息锁存到地址锁存器中。 经锁存器锁存后的低三位地址 Q0~Q2 分别与 ADC0809 的地址译码引脚ADDA~ADDC 连接，以选通 IN0~IN7 中的一个通道。 ADC0809 具有输出三态锁存器，故其 8位输出数据引脚 D0~D7 可直接与单片机数据总线 ~ 相连。 ADC0809 片内无时钟，图 中利用双 4 位二进制计数器 74HC393 给 ADC080929 提供时钟输入。 单片机的 ALE引脚与 74HC393的时钟输入端 CLK相连，计数器的一路输出 Q1与 ADC0809的时钟输入端 CLOCK 相连， ALE 引脚的时钟频率经 74HC393 二分频后提供给 ADC0809 作为时钟信号。 单片机 引脚作为 ADC0809 的片选信号。 图 4与非门芯片 74ALS00 和 6反相器芯片 74ALS04 来控制 ADC0809 的启动和输出转换数据。 当 ＝ 1， WR()=0 时， 74ALS04 的 6号脚输出为高电平，将其与 ADC0809 的转换启动端口 START 和地址锁存端口 ALE连接，从而在锁存通道地址的同时启动 A/D 转换。 当 =1， RD （ ） =0 时， 74ALS04的 8号脚输出为高电平，将其与 ADC0809 的输出允许引脚 OE相连，从而允许将转换得到的数字量数据输出到数据总线上。 本系统在软件上采用延时的方法来等待转换结束，因此未使用转换结束信号引脚 EOC。 ADC0809 的正参考电压输入端 VREF(＋ )和主电源输入端 VCC 都接＋5V 电源，而负参考电压输入端 VREF(－ )和接地端 GND 均接地。 外接存储器接口电路 外接存储器接口电路是为了将单片机接受到的数据存储起来，达到采样功能。 外接存储器 AT89C5131 单片机片内集成有两个 Flash 存储空间 FM0 和 FM1，其中 FM0 为 32K 字节的程序存储器（用户空间），且支持并行编程和串行在线编程（ ISP）； FM1 为 3K 字节的引导启动程序和应用编程接口（ API），且只支持并行编程。 因此在编写单片机固件程序时可使用 FM0的用户空间进行在线编程，但本系统设计时未采用在线编程的方法，而是直接将单片机程序存储在一片外接 EEPROM 存储器芯片中，通过将单片机 EA————接低电平，使单片机执行外部程序存储器中的程序。 本系统使用的存储器芯片是 ATMEL 公司的 64K(8K8 位 )EEPROM 芯片 AT28C64。 该存储器芯片采用 ATMEL 非挥发性 CMOS 技术，存取时间仅需 150ns，功耗仅 220mW。 封装形式有PDIP/SOIC28 脚、 PLCC32 脚和 TSOP28 脚三种，其引脚说明如表。 表 AT28C64引脚说明 引脚 功能 A0A12 地址线 CE 芯片选择（片选） OE 输出使能 WE 写入使能 I/O0I/O7 数据输入 /输出端 VCC 电源端 GND 接地端 外接存储器接口电路 AT28C64 与单片机 AT89C5131 的连接电路同样如图。 单片机 P0 口输出的地址信息经地址锁存器 74HC373 锁存后送入存储器 AT28C64 的低 8 位地址线 A0~A7；同时 P0 口又AT28C64 的数据线 I/O0~I/O7 相连，可分时输出存储的数据。 单片机的 P2 口作为高位地址线， 由于 P2 口输出具有锁存的功能，因此不必加地址锁存器，可直接与 AT28C64 的高 5位地址线A8~A12 相 连。 单片机 PSEN 引脚与 AT28C64 的片选端 CE 和输出允许端 OE 相连，从而选中外部存储器并允许从中读取程序指令。 单片机 EA 接低电平，使单片机执行外部程序程序存储器中的程序。 系统外围电路 系统的外围电路包括：电源电路、复位电路、时钟产生电路、 PLL 配置电路。 （ 1）电源电路。 本系统中所有器件均可使用 +5V 电源电压；由于 USB 端 口电源；可通过USB 总线从 PC机获得，因此本系统未使用外部电源，直接利用 USB 总线供电。 （ 2）复位电路。 单片机 AT89C5131 的 RST 引脚是复位信号输入引脚，复位的实现一般可采用上电复位和外部手动复位两种方式，本设计采用手动复位方式，通过按键 S1来进行复位操作，复位电路如图。 （ 3）时钟产生电路。 单片机 AT89C5131 的时钟发生器包括一个内部振荡器和一个锁相环（ PLL），所有外部设备以及 CPU 的内核工作所需的时钟信号都是由时钟发生器产生的。 AT89C5131 的 XTAL1 和 XTAL2 分别是一个片内反相放大器的输入端和输出端。 若使用内部振荡器产生时钟信号，则将这两个引脚与作为反馈元件的片外晶振和电容相连接构成一个自激振荡器，连接电路如图 所示。 其中外接晶振的频率本系统选择 12MHz；而两个电容则通常选择 20pF～ 30pF 左右。 当然也可以选择采用外部振荡器来产生时钟信号，此时只需将XTAL1 引脚直接作为外部时钟的输入即可。 本系统的时钟信号由内部振荡器产生。 （ 4） PLL配置电路。 AT89C5131 的锁相环（ PLL）是用来产生和外部低频时钟（外围设备时钟）同步的内部高频时钟（ USB 时钟）的，即 USB 接口所需的时钟信号是由 PLL 产生的。 PLL 的内部结构如图 所示，可以看出是一个闭环结构。 其中 N3:0 和 R3:0 均位于 PLLDIV寄存器，各为 4 位。 内部振荡器的参考时钟经过 N分频和反馈回来的 USB 时钟经过 R 分频进入 PFLD 进行比较并产生合适的输出信号。 PLLCON 寄存器的 PLLEN 位用来使能时钟信号的产生；而当 PLL 被锁定时， PLLCON 寄存器的 PLOCK 位则会被置 位，此时输出的时钟信号才是稳定的信号。 PLLF 是 PLL 的低通滤波器连接引脚，需要与一个 RC 网络相连接，连接电路如图。 图 PLL结构内部结构框图 PLL 输出的 USB 时钟频率为 48MHz，它与内部振荡器的输入时钟频率之间的数学关系是：USBclk=OSCclk(R+1) ／ N+1。 因此为了产生 48MHz 的时钟信号，必须根据振荡器的频率来配置合适的分频数值（ N 和 R），典型的分频值见表。 本系统选用 12MHz 晶振，因此需要将PLLDIV 寄存器设置为 30h。 表 典型分频值设置 振 荡器频率 R+1 N+1 PLLDIV寄存器 3MHz 16 1 F0h 6MHz 8 1 70h 8MHz 6 1 50h 12MHz 4 1 30h 16MHz 3 1 20h 18MHz 8 3 72h 20MHz 12 5 B4h 24MHz 2 1 10h 32MHz 3 2 21h 软件设计 本系统在软件上主要包括三部分：固件程序、 USB 设备驱动程序以及应用程序。 通过固件程序和 USB 驱动程序使 PC 机可以与 USB设备进行正常的通信，并且数据采集系统可以进行正常的数据 采集；通过界面程序的设计使采集到的数据波形图可以在 PC 机界面上显示出来。 以下将分别进行介绍。 固件程序 固件设计主要完成两个方面的工作：控制 A/D 的采样和通过 USB 控制器与主机通信。 由于单片机系统控制 A/D 采样的工作非常简单，此处不做介绍。 对于固件程序的编程，其基本结构如下： ① 初始化，包括处理器和外围电路的初始化； ② 主函数，包括完成符合设备特定要求的代码； ③ 中断处理，包括处理各种中断的程序代码。 固件程序的代码如下： define Usb_enable()(USBCON|=0x80)//USBE=1，使能 USB 控制器 define Usb_detach()(USBCON|=0x10)//DETACH=1，模拟 USB 总线断开 define Usb_attach()(USBCONamp。 =~0x10)//DETACH=0，模拟 USB 总线连接 v。