0 引言
在現代工業生產和科學技術研究等各行業中，通常需要對各種數據進行采集。目前常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,容易受計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制，可擴展性差。而帶RS-232串口的數據采集器，在需要大批量、高速傳輸的場合下，其應用也受到限制。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、高速、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 硬件設計與實現
USB總線傳輸速度快，為了充分發揮USB總線這一優勢，易選用速度較快的微處理器。另外，USB接口設備是采用總線供電的，考慮到總線輸出功率有限，盡量采用集成度高的器件有利于降低USB總線的負荷。
USB接口模塊的選擇有兩種方案：一種是采用帶有USB接口的單片機；另一種是采用普通單片機和USB控制芯片。對于第一種方案，不需要設計單片機和USB控制芯片之間的接口電路，簡化了電路設計，但是帶有USB接口的單片機種類有限，從而限制了單片機的選擇。對于后一種方案，可以選擇所熟悉的單片機，以減小開發難度，并縮短開發周期。系統采用的是SOC單片機C8051F000，USB控制芯片采用PDIUSBD12。
C8051F000單片機[1]是四邊扁平貼片封裝，內部集成了8通道的12位A/D轉換器, 可編程增益放大器PGA，自帶看門狗，具有32位數字I/O端口，體積小巧，集成度高，功耗較小，滿足USB總線供電的要求。而且，C8051F000單片機最大工作頻率可達到25MIPS，采用流水線結構，是單指令周期單片機，運行速度也較快，適于開發USB設備。
PDIUSBD12 是Philips 公司推出的符合USB1.1版規范的帶并行總線的接口芯片。片內集成了320B的FIFO存儲器，在批量模式和同步模式下均可實現1MB/s的數據傳輸速率，集成了模擬收發器，串行接口引擎，串行接口引擎實現了全部的USB協議層，包括并行/串行轉換、位填充/解除填充、CRC校驗/產生、地址識別和握手評估/產生等,從而減小了PDIUSBD12驅動程序開發的難度[2,3]。
系統硬件包括主MCU、USB接口電路、模擬信號輸入調理電路和電源轉換電路等組成部分，其工作原理圖如圖1所示。
系統有8路模擬輸入，模擬輸入信號經過信號調理電路濾波、放大后送給C8051F000，此單片機自帶的A/D轉換器將輸入的模擬信號轉換為數字信號，并通過USB接口傳送給計算機。計算機也可以通過USB接口向C8051F000發送命令。系統采用USB總線供電，由于USB總線只能提供＋5V供電，而單片機C8051F000所需要的典型供電電壓是3.3V，信號調理電路中的多路轉換開關和運算放大器所需要的供電電壓是＋9V和－5V，故須設計電源轉換電路將5V電壓轉換為3.3V、－5V和＋9V，以便給相應的芯片提供電壓。其中USB接口電路和信號調理電路的設計是最為重要的兩個部分。
1.1 USB接口電路的設計
USB控制芯片PDIUSBD12與計算機及單片機之間的接口電路如圖2所示。USB總線共4條線，兩條電源線VCC和GND、兩條差分數據線D＋和D－。為了防止在讀寫數據的過程中電壓波動，及附近大功率用電設備對電壓的影響，在USB總線的兩條電源線VCC和GND之間加了去耦電容。USB總線是采用差分數據傳輸，因此在任意時刻，只能有一個發送器或接收器。在D+/D－線上串接的兩個18Ω電阻，及下拉的兩個1M電阻是用來進行阻抗匹配的。
PDIUSBD12的8根數據線D0～D7與單片機的8根數據線分別連接，實現PDIUSBD12與單片機之間8位數據的并行傳輸，PDIUSBD12的讀寫引腳與單片機的I/O引腳相連，以實現單片機對PDIUSBD12的讀寫操作。PDIUSBD12的引腳A0是命令口和數據口的地址線，PDIUSBD12有兩種數據總線方式：多路地址/數據總線和單地址數據總線，為了盡量少占用單片機的I/O引腳，系統采用單地址數據總線，PDIUSBD12的引腳ALE接地，引腳A0與單片機的I/O引腳相連，A0為1時，總線D0～D7上傳輸的是命令，A0為0時，總線D0～D7上傳輸的是數據。PDIUSBD12的掛起引腳SUSPD和中斷引腳INT分別與單片機的一個I/O引腳相連，以實現PDIUSBD12掛起及PDIUSBD12向單片機發出中斷。系統中PDIUSBD12的DMA功能沒有使用，引腳DMACK和EOT都通過一個上拉電阻連到電源。振蕩電路采用6MHz晶振，經過PDIUSBD12內部倍頻電路之后，PDIUSBD12內部實際時鐘為24MHz 。引腳GL通過一個綠色指示燈和一個電阻連到電源，當該儀器枚舉成功以后，該指示燈亮，當計算機與該儀器進行通訊時，此指示燈閃爍。
1.2 信號調理電路的設計
信號調理電路主要包括模擬信號多路選擇、濾波和信號放大等組成部分，電路如圖3所示。
系統電路設計中，只使用了單片機C8051F000本身自帶的一路模擬輸入AIN0；在單片機外圍用多路模擬開關CD4051擴展了8路模擬輸入。當單片機給CD4066的引腳CONT1輸入一個低電平、給引腳CONT2輸入一個高電平時，CD4066的引腳IN1和OUT1之間斷開、引腳IN2和OUT2之間短接，運算放大器ICL7650的負端輸入與它的輸出斷開，此時ICL7650對它的輸入信號放大8倍；當單片機給CD4066的引腳CONT1輸入一個高電平、引腳CONT2輸入一個低電平時，CD4066的引腳IN1和OUT1之間短接、引腳IN2和OUT2之間斷開，ICL7650的負端輸入與它的輸出直接短接，此時ICL7650和它的外圍電路一起組成了一個電壓跟隨器，只是增大A/D轉換器的輸入阻抗，并不對它的輸入信號進行增益放大。
C8051F000片內集成的增益放大器PGA編程范圍為0.5～16，當ICL7650作為一個電壓跟隨器時，系統可編程增益范圍為0.5～16；當ICL7650對輸入信號進行8倍放大時，系統可編程增益范圍為4～128，由此可見，系統可編程增益范圍較寬，滿足大多數情況下增益放大需要。
2 軟件設計與實現
系統軟件包括單片機固件程序，USB驅動程序及其鏈接庫，及用戶應用程序。為了降低開發難度及縮短開發周期，系統采用了周立功公司開發的D12 SMART套件中的USB驅動程序及其鏈接庫[3]，該鏈接庫為用戶應用程序提供了API函數，在編寫應用程序時，只需調用API函數與采集系統之間交換數據，而不需要關心具體的USB通訊協議。
單片機固件設計采用中斷驅動方式。CPU在前臺進行數據采集, USB傳輸則在后臺進行, 而其中斷和主循環的數據交換則通過事件標志和數據緩沖區進行。這樣既保證了數據采集的實時性，又獲得了最佳的傳輸速率。固件結構如圖4 所示。
中斷服務程序主要負責從PDIUSBD12收集數據, 將建立包和OUT數據存入數據緩沖結構體，并設置相應的標志位；而主循環負責對數據進行處理，根據標志位區分是標準請求還是廠商請求，進而調用標準請求處理程序和廠商請求處理程序。其中標準請求處理程序主要負責在設備枚舉過程中主機為識別設備而發送的請求, 主要包括讀取USB設備描述符、給USB設備分配地址、配置USB設備等功能。只有在計算機與USB設備建立鏈接之后，計算機才能識別出USB設備，與USB設備進行通訊。而廠商請求處理中是自行定義的請求處理函數, 用來處理計算機發送給采集系統的各個設定命令，主要包括設定采集系統的量程、讀取通道采樣數據等命令。標準設備請求是在枚舉過程中由安裝在PC機中的USB驅動程序發送給USB設備的，而廠商請求是由用戶應用程序通過調用USB鏈接庫提供的API函數將命令傳遞到功能驅動程序后, 通過相應例程發送到USB設備的。
PDIUSBD12 命令接口是一套訪問PDIUSBD12 所有功能的處理函數，主要包括對PDIUSBD12設置地址、設置端點使能、設置模式、讀中斷寄存器、選擇端點、讀端點狀態、讀取緩沖區、清緩沖區等操作。當固件中的其它程序需要對PDIUSBD12 進行操作時, 只須調用其中相應的子程序即可。
硬件提取層是固件中的最底層代碼, 直接對PDIUSBD12訪問，其執行與具體硬件電路有關，使用的單片機不同, 或者實現的設備功能不同時這部分代碼也有所不同。
3 結束語
系統采用高速SOC單片機C8051F000和PDIUSBD12實現了寬量程的數據采集和基于USB接口的數據傳輸，基于該方案的采集系統已經在實驗室調試通過，能夠準確地進行數據采樣和傳輸。本文作者創新點：利用了C8051F000片內集成的增益放大器PGA，并結合外圍增益放大電路使系統的最大增益放大倍數達到了128倍，從而使系統能完成較寬范圍內的電壓信號采集；系統在PDIUSBD12與單片機之間的接口電路設計中采用了單地址數據總線方案，相對于通常所采用的多路地址/數據總線方式大大減少了單片機I/O引腳的占用。