基于嵌入式USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[圖]

摘要：USB接口的通用性和簡便性使其成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。因此，設(shè)計一款以單片機控制MAX197芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以及通過USB接口芯片PDIUSBD12進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟杉�系統(tǒng)，并詳細介紹了單片機固件程序和嵌入式驅(qū)動程序的具體實現(xiàn)。最后通過實際采集正弦波信號進行測試以驗證該系統(tǒng)的可用性，并針對出現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的改善措施。改善后的整個系統(tǒng)功耗低、可靠性高，傳輸速度能滿足實際的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)多在戶外進行，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常要滿足實時性、專用性、可靠性和低功耗等性能，這些特性在嵌入式系統(tǒng)中都能得到很好的體現(xiàn)，因此本文將以WindowsCE的嵌入式平臺來開發(fā)效據(jù)采集系統(tǒng)。但是由于嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)不易改變，所以在進行數(shù)據(jù)采集設(shè)備擴展時應(yīng)該選擇接口簡單靈活、數(shù)據(jù)傳輸率高和支持熱拔插的傳輸總線，而USB接口則能很好地滿足這些要求，同時USB還有總線供電和不受插槽、中斷等硬件資源限制的特性，因此USB接口是數(shù)據(jù)采集設(shè)備與嵌入式系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。綜上所述，本文將設(shè)計一款基于嵌入式USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以滿足實際的需要，下面將從硬件設(shè)計，程序?qū)崿F(xiàn)和實際測試3方面具體描述。

1 硬件設(shè)計

1.1 硬件結(jié)構(gòu)框架

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由控制中心、模數(shù)轉(zhuǎn)換和USB協(xié)議實現(xiàn)3個部分組成，下面將針對這3個部分進行詳細的介紹。具體的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 嵌入式USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1）控制中心。本系統(tǒng)采用單片機提供地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線、選通信號（D12_CS和AD_CS），讀寫信號（RD和WR）以及對中斷信號（D12_INT和AD_INT）進行檢測。

2）模數(shù)轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用MAX197芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，該芯片具有采樣保持功能和12位的高精度輸出。單片機可向MAX197寫入其特定的命令從而選擇指定的通道進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，MAX197向單片機輸出低電平的AD_INT信號，單片機采用輪詢方式檢測到后通過HBEN信號控制MAX197輸出低8位和高4位的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

3）USB協(xié)議實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用PDIUSBD12作為USB設(shè)備端的控制芯片，該芯片實現(xiàn)了USB1.1傳輸協(xié)議。嵌入式系統(tǒng)要對USB設(shè)備進行讀寫均需通過信號D12_INT向單片機發(fā)送中斷，單片機響應(yīng)中斷后只需對PDIUSBD12的不同寄存器進行讀寫操作就可以利用USB進行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 固件程序設(shè)計

硬件設(shè)備需要固件程序的控制以保證其正常運行，本文所設(shè)計的固件程序主要用于識別USB設(shè)備以及采集與傳輸數(shù)據(jù)。固件程序的總體流程如圖2所示。

圖2 固件程序的總體流程

1）設(shè)備識別。USB設(shè)備的識別過程分別由操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動兩個部分通過USB協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求來完成。操作系統(tǒng)在USB設(shè)備連接時加載設(shè)備驅(qū)動程序并分配通信地址，驅(qū)動程序啟動后通過中斷讀取相關(guān)描述符進行資源配置并使能傳輸端點，從而為應(yīng)用程序提供接口。

2）數(shù)據(jù)采集與傳輸。通過單片機的定時器可對數(shù)據(jù)的采集頻率進行設(shè)置。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率為1 000 Hz,因此設(shè)置定時器每一毫秒中斷一次進行數(shù)據(jù)采集，而主機端對USB設(shè)備的讀寫操作則通過外部中斷實現(xiàn)，定時器中斷優(yōu)先級高于外部中斷以保證采集頻率固定為1 000 Hz.主機端通過寫操作向USB設(shè)備發(fā)送控制信息，包括設(shè)備啟動和停止的相關(guān)初始化與清理的工作，其中在對USB設(shè)備進行讀操作前要先在端點的緩沖區(qū)填寫64字節(jié)數(shù)據(jù)并通過命令使其有效，不然主機端對USB設(shè)備進行讀操作時，無效的緩沖區(qū)將導(dǎo)致PDIUSBD12芯片不會產(chǎn)生中斷，從而導(dǎo)致讀操作失敗。

2 驅(qū)動程序設(shè)計

Windows CE下的USB設(shè)備驅(qū)動模型由3個層次組成，其中由操作系統(tǒng)實現(xiàn)的有兩層，它們分別是HCD模塊（USBHoST Controller Driver）和USBD模塊（USB Bus Driver），而第三層則被稱為USB客戶端驅(qū)動（USB Client Driver），由驅(qū)動開發(fā)人員實現(xiàn)。HCD模塊處于最底層，是CPU中USB控制器的驅(qū)動，為USBD模塊提供底層的功能訪問服務(wù)。USBD模塊處于HCD模塊的上層，它根據(jù)HCD模塊提供的功能設(shè)計USB驅(qū)動接口函數(shù)，并提供給第3層使用。USB客戶端驅(qū)動處于USB驅(qū)動模型的最頂層，也是本文所要設(shè)計的USB驅(qū)動程序，它向上為應(yīng)用程序提供接口以方便對USB設(shè)備進行控制，向下利用USBD模塊提供的接口函數(shù)傳遞控制信息和數(shù)據(jù)。因此，要成功開發(fā)USB設(shè)備的驅(qū)動程序，在操作系統(tǒng)定制的時候就需要把HCD和USBD的相關(guān)組件添加進去。

本文開發(fā)的USB設(shè)備驅(qū)動程序是流接口形式的驅(qū)動程序，它被設(shè)計用來與通常的文件系統(tǒng)API（如CreateFile、ReadFile和WriteFile等）進行通信，應(yīng)用程序通過對文件系統(tǒng)的操作來完成對設(shè)備的控制。本驅(qū)動所設(shè)計的流接口如表1所示。

表1 驅(qū)動所設(shè)計的流接口

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試條件與結(jié)果

本測試的目的在于檢驗本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否在采集頻率較高的情況下準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，并通過USB接口完整地進行數(shù)據(jù)傳輸。因此，測試將基于以下5個條件進行。其中一個通道的部分測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

圖3 正弦波采集測試結(jié)果圖

1）測試信號為正弦波，峰峰值約為12 V,頻率為100Hz.

2）系統(tǒng)以1000Hz的采集頻率連續(xù)對8個通道進行采集。

3）單片機晶振頻率為12MHz.

4）采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設(shè)置為128字節(jié)。

5）采集數(shù)據(jù)記錄在SD卡中。

3.2 測試結(jié)果分析

由3.1的正弦波采集測試結(jié)果圖可以得出如下兩點結(jié)論：

1）采集的正弦波的峰峰值約為12 V,一個周期有10個數(shù)據(jù)點，根據(jù)采集頻率1000Hz可知采集到的正弦波的頻率為100Hz.

2）在30 ms的時候，正弦波發(fā)生畸變，可見采集數(shù)據(jù)在USB傳輸過程中發(fā)生丟失。

第一點結(jié)論說明了本采集系統(tǒng)能準(zhǔn)確地進行數(shù)據(jù)采集，而對于第二點結(jié)論所表現(xiàn)出的不完整性分析如下。

1）設(shè)V1是有效數(shù)據(jù)的傳輸速度，V2是協(xié)議開銷的傳輸速度，N為采集數(shù)據(jù)的通道數(shù)目，M為每通道采集的字節(jié)數(shù)，H為采集頻率，K為緩沖區(qū)大小，U為傳輸?shù)膮f(xié)議開銷字節(jié)數(shù)。USB數(shù)據(jù)幀的組成包括有效數(shù)據(jù)和協(xié)議開銷兩個部分，其中傳輸協(xié)議的開銷包括同步字段、包標(biāo)識符、地址信息、端點信息和CRC校驗，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求的USB傳輸速度可根據(jù)公式（1）計算得到。本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共有8個通道，每通道有2個字節(jié)的數(shù)據(jù)，采集頻率為1 000 Hz,根據(jù)公式（2）可得有效數(shù)據(jù)的傳輸速度約為16 kB/s.一個完整的數(shù)據(jù)幀的傳輸需要11個字節(jié)的協(xié)議開銷，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸過程分為4個步驟：發(fā)送傳輸請求，發(fā)送接收控制命令，接收請求應(yīng)答，開始接收數(shù)據(jù)，每個步驟均需傳輸一個完整的USB數(shù)據(jù)幀，因此進行一次傳輸?shù)膮f(xié)議開銷為44個字節(jié)，根據(jù)公式（3）可計算出協(xié)議開銷的傳輸速度。以緩沖區(qū)的大小為橫坐標(biāo)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求的USB傳輸速度為縱坐標(biāo)繪出圖4所示的關(guān)系圖，分析該圖可得：緩沖區(qū)越大，所要求的USB傳輸速度越少。測試中較少的128字節(jié)緩沖區(qū)使得在一次傳輸中有效數(shù)據(jù)過少，約5.5 kB/s的額外開銷傳輸速度約占總速度的25%,過高的額外傳輸開銷導(dǎo)致數(shù)據(jù)來不及傳輸，從而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況。

圖4 緩存區(qū)大小與USB傳輸速度關(guān)系圖

2）另外，由于應(yīng)用程序要在SD卡這類低速設(shè)備上記錄數(shù)據(jù)，所以記錄數(shù)據(jù)的時候來不及獲取USB設(shè)備中的數(shù)據(jù)也會導(dǎo)致實際的傳輸速度變慢，導(dǎo)致新采集的數(shù)據(jù)溢出緩沖區(qū)并覆蓋來不及傳輸?shù)呐f數(shù)據(jù)，從而造成數(shù)據(jù)丟失。

因此有必要采取一定的方法來改善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)采集的完整性。下面將提出3個解決方法。

3.3 系統(tǒng)改善措施

1）增大晶振頻率到24MHz,加快單片機的處理速度。

2）在硬件上增加靜態(tài)RAM作為數(shù)據(jù)存儲的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的存在一方面可以保證新采集的數(shù)據(jù)不會覆蓋沒來得及傳輸?shù)呐f數(shù)據(jù)，另一方面可以讓USB設(shè)備在一次USB數(shù)據(jù)幀的傳輸中所含有的有效數(shù)據(jù)更多，從而減少在傳輸過程中的校驗、識別和握手等USB協(xié)議的額外開銷，加快傳輸速度。

3）在應(yīng)用程序控制USB設(shè)備時將新建2條線程，一條進程用于向USB設(shè)備進行讀寫操作來進行數(shù)據(jù)采集，另一條進程用于向嵌入式系統(tǒng)的SD卡這類低速設(shè)備進行讀寫操作來記錄數(shù)據(jù)，利用操作系統(tǒng)分時復(fù)用的特性減少數(shù)據(jù)記錄過程對數(shù)據(jù)傳輸造成的延誤，從而加快USB設(shè)備的傳輸速度。

4 結(jié)束語

本文從硬件結(jié)構(gòu)、固件程序和驅(qū)動程序3個方面對基于嵌入式USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了設(shè)計。最后還通過實際采集正弦波信號對系統(tǒng)進行了測試，并提出了3個方法有效地提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳輸速度。本系統(tǒng)能在擁有USB接口的嵌入式設(shè)備上方便地進行連接和安裝，是數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的一個重要部分。

作者：張輝 林生榮 來源：《電子設(shè)計工程》