摘 要： 隨著電子信息技術和計算機技術的高速發展，數據采集應用越來越廣泛。提出了一種基于USB接口的數據采集卡的設計解決方案。采用PIC16F886單片機為主控制芯片，PDIUSBD12為USB的接口芯片。給出了采集卡的設計整體框圖，并介紹了采集卡的硬件電路設計以及固件程序設計。所設計的USB接口的數據采集卡電路簡單、性能穩定，支持即插即用。
關鍵詞： 數據采集；USB接口；PIC16F886；PDIUSBD12
0 引言
工業生產和科研領域往往都需要對重要數據進行采集，為提高產品質量、降低成本提供信息和手段[1]。隨著計算機外部設備的普及，微機技術和電子信息技術的快速發展不斷對數據采集系統提出新的要求。基于傳統總線的采集卡存在的安裝繁瑣、傳輸速率低、可掛載的設備少等問題，制約著數據采集系統的發展。由于USB總線在支持即插即用、數據傳輸快、性價比高等方面具有優勢，本文提出了一種USB接口數據采集卡的設計，有效地解決了傳統總線面臨的問題。
1 采集卡設計整體框圖
USB接口的數據采集卡的整體設計框圖如圖1所示。數據采集卡的硬件電路選擇PIC16F886單片機作為主控制芯片，PDIUSBD12芯片作為USB的接口芯片，A/D轉換模塊使用單片機內部的10位AD轉換模塊。
系統的硬件部分需要完成與PC端之間的USB數據通信，PC需要識別插入的USB接口的數據采集卡并完成相關的配置。PC對USB采集卡的識別過程，需要對USB接口的采集卡進行枚舉。
2 硬件電路設計
2.1 PIC16F886芯片介紹
PIC16F886單片機是Microchip公司推出的支持精簡指令集（RISC）的8位嵌入式微控制器[2]。PIC16F886共有28個引腳，支持PDIP、SOIC和SSOP封裝。它具有 8 096 B的程序存儲器和256 B的EEPROM數據存儲器，有11個通道的10位模數A/D轉換器，帶有同步異步收發發送接收器USART等。
本文選擇此單片機作為本系統硬件設計的主控制器，它具有如下優勢：PIC16F886采用的是精簡指令集RISC的結構，只有35條指令，程序的執行效率和執行速度大大提高；PIC16F886具有良好的開發環境，支持在線編程，便于單片機的在線調試和開發，減少了開發時間；PIC16F886有8 096 B的程序存儲空間，因為USB協議框架移植較大，它可以進行USB協議的單片機固件編程；PIC16F886有28個引腳，分別有Port A（RA0：RA5）、Port B、Port C、Port D共24個，作為I/O端口；另外，有11個通道的10位A/D轉換模塊，可以作為采集卡的數據采集的通道。
2.2 PDIUSBD12芯片介紹
本文的USB接口的數據采集卡設計選擇Philips公司的PDIUSBD12芯片作為USB接口芯片，其引腳圖如圖2所示。
PDIUSBD12芯片是一款性價比高的USB接口控制芯片，該芯片提供了標準的外圍接口，包括8位的數據并口，可以靈活設計與其他單片機連接，協同處理USB協議和數據交換，縮短了USB的開發周期，減少了開發成本，是USB外圍通信電路方案中較為簡單和經濟的解決方案[3]。它還支持直接存儲器尋址的DMA傳輸，便于高速的數據傳輸。PDIUSBD12芯片也是符合USB2.0協議的，支持低速和全速模式下的數據傳輸。PDIUSBD12芯片支持各種USB外設，包括外部存儲設備、打印設備、掃描設備等。此外，PDIUSBD12的掛起功耗低可以應用于總線供電的外設，可以滿足對USB電源管理的要求。
PDIUSBD12芯片使用8位并行的數據口與外部的PIC16F886主控制器連接，支持5 V的邏輯電平；內置電壓調整器，可以選擇使用3.3 V和5 V的電源為設備供電；內置PLL鎖相環，外部時鐘頻率使用6 MHz；具有軟連接和數據指示燈功能，能夠模擬USB的斷開連接，并通過指示燈反饋；此外還包括了模擬收發器、串行搜索引擎、存儲器管理單元和DMA接口等。
2.3 USB接口電路
圖3所示為PIC16F886主控制器與PDIUSBD12的USB接口芯片的電路連接圖。從圖中可知，PDIUSBD12的8位數據并口與PIC16F886的PORTC引腳相連接，A0引腳與MCU的RA4連接，WR_N和RD_N腳分別與MCU的RB5和RB4連接，INT_N腳與MCU的RB0連接，ALE、CS_N和SUSPEND引腳接地。通過PIC16F886的一個IO口RA4與PDIUSBD12的A0引腳連接，來設置8位的數據并口是命令地址還是數據地址，A0為低電平，則為數據地址；A0為高電平，則為命令地址。通過PIC16F886的兩個IO口，RB4和RB5與PDIUSBD12的讀寫選通引腳連接，模擬數據和命令的讀寫時序，進行數據的交換。此外，PDIUSBD12的外部晶振頻率選擇 4 MHz；D+與D-引腳與USBA型接口的D+和D-數據線對應連接；3.3 V電壓調整輸出端口接地，使用5 V電源供電；CLKOUT和DMREQ引腳不使用，懸空。當USB設備上電之后，PWR的LED電源指示燈會一直亮著。在USB設備的枚舉過程中，USB的數據流指示燈會間歇閃爍，直到成功枚舉和配置之后，會常亮。USB接口的數據采集卡的采集通道使用了PIC16F886其中的8個通道，分別為ADC0~ADC7。
2.4 PCB圖
圖4所示為USB采集卡的PCB圖，其中PCB圖利用Altium Designer繪畫。
3 固件程序設計
單片機PIC16F886的固件程序設計的主要內容包括了對單片機參數和PDIUSBD12端點模式的初始化程序、USB設備枚舉過程中與PDIUSBD12之間的數據交換程序、數據采集程序。固件編程的目的是為了讓PC端的USB主機識別USB接口的數據采集卡，并知道USB接口的數據采集卡的類型和功能，完成數據的采集、處理和傳輸。主控制器PIC16F886需要協同USB接口芯片PDIUSBD12完成數據采集卡的枚舉，對此需要單片機進行固件程序編程[4]，將USB接口的數據采集卡的相關描述符信息報告給PC端的USB主機，實現PC端與采集卡之間的USB通信，來為USB接口的數據采集卡的枚舉提供底層的軟件支撐，這是在USB接口的數據采集卡的軟件設計中必要的環節。
在USB系統初始化之后，PC端的USB主機開始控制傳輸過程，需要對USB接口的數據采集卡進行枚舉，PC端的USB主機獲取描述符和設置地址的流程圖，如圖5所示。
獲取描述符的程序類似，下面以獲取設備描述符為例，給出獲取設備描述符部分程序[5]：
if（（bmRequestType&0x80）==0x80）
{
//判斷bmRequestType第6、5位，表示請求的類型
switch（（bmRequestType>>5）&0x03）
{
case 0：//標準請求
switch（bRequest）
{
……
case GET_DESCRIPTOR：//獲取描述符
switch（（wValue>>8）&0xff）
{
case DEVICE_DESCRIPTOR： //獲取設備描述符
for （i=0； i<18； i++）
{
pBuffer[i]=USB_DeviceDesp[i]；
//保存設備描述符結構在pBuffer中
}
if （wLength > 18）
{
sendDataSize=18；
if （sendDataSize%16==0）
ZeroFlag=1；
else
sendDataSize=wLength；
USB_CTL0_Send（）；
//按sendDataSize大小發送pBuffer中的數據
break；
….
}
break；
default： break；
}
}
4 結論
本文提出了一種基于USB接口的數據采集卡的設計方案。該方案主要利用主控制芯片PIC16F8886和USB接口芯片PDIUSBD12來實現，采集卡電路簡單、性能穩定，支持即插即用，克服了傳統總線的采集卡安裝繁瑣、傳輸速率低、可掛載的設備少等問題。該USB接口的數據采集卡適合于高速數據采集系統與主機進行數據通信，同時也可為便攜式系統提供方便、可靠的接口解決方案。
參考文獻
[1] 馬宗駿，張博，牛大鵬.基于USB的數據采集卡應用[J].物聯網技術，2011（3）：68-70.
[2] PIC16F886 Data Sheet[EB/OL].[2008-02-01]（2015-01-10）.www.microchip.com.
[3] 劉鐵.基于USB的數據采集卡設計[J].紡織機械，2010（4）：11-12.
[4] 周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅動開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.
[5] 張明峰.PIC單片機入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.