趙 麗，張春林

(1.長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130033;2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)

目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)無處不在，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以對(duì)生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行記錄。基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)以32位嵌入式芯片為控制核心，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括邏輯判斷和數(shù)學(xué)運(yùn)算，最后獲得需要數(shù)據(jù)。

USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)使用方便、速度快，易于擴(kuò)展，該技術(shù)將會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)傳輸方式在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［1］。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一種便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了ARM微處理器和USB2.0接口。系統(tǒng)硬件是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上，搭配USB接口的下位機(jī)硬件板卡。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)軟件由PC的控制軟件和下位機(jī)嵌入式的軟件兩部分組成。

外界需要測(cè)量信號(hào)經(jīng)過傳感器的檢測(cè)，再經(jīng)測(cè)量?jī)x器放大電路的放大后，便可得到質(zhì)量較高的信號(hào)，即被測(cè)信號(hào)進(jìn)入下位機(jī)硬件系統(tǒng)。在ARM微處理器內(nèi)部，將模擬信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，通過USB接口，數(shù)據(jù)被傳送給上位機(jī)。上位機(jī)可對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制及相關(guān)信息顯示［2］。下位機(jī)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)算，也可以響應(yīng)上位機(jī)的控制指令，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本控制。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)微處理器選用了PHILIPS公司推出的16/32位RISC芯片LPC2378，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以LPC2378為核心，配合外圍電路可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、異常報(bào)警等。LPC2378芯片內(nèi)部自帶ADC轉(zhuǎn)換器，可將外部采集到的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以處理的數(shù)字信號(hào)，并通過LPC2378內(nèi)嵌的USB微處理器來進(jìn)行電信號(hào)的上傳［3］。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

LPC2378內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)控制寄存器ADCR和一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器ADDR，A/D轉(zhuǎn)換器的工作方式和運(yùn)行狀態(tài)是由這兩個(gè)寄存器來完成的。A/D轉(zhuǎn)換器中設(shè)有專門的中斷使能位。A/D轉(zhuǎn)換開始前先寫入ADCR寄存器來設(shè)置工作模式，轉(zhuǎn)換結(jié)束后的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器ADDR讀出，該寄存器包含一個(gè)轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位DONE位和10位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

LPC2378包含一套局部總線，該總線可與片內(nèi)ARM7存儲(chǔ)器及控制器接口、一個(gè)ARM7TDMI-S CPU，該CPU能進(jìn)行仿真，并包含一套AMBA高性能總線(AHB)和一套VLSI外設(shè)總線(VPB)，AHB能與中斷控制器接口，VPB可連接片內(nèi)外設(shè)。

2.2 LPC2378ARM USB設(shè)備控制器

USB設(shè)備控制器與LPC2378 ARM內(nèi)核總線之間的接口如圖3所示，LPC2378 ARM USB設(shè)備控制器的結(jié)構(gòu)框圖清楚地顯示了USB設(shè)備控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 LPC2378 ARM USB設(shè)備控制器結(jié)構(gòu)框圖

LPC2378 ARM通過相關(guān)寄存器來實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備控制器的控制。這些寄存器都工作在AHB時(shí)鐘域。CPU可以直接訪問這些寄存器，最小AHB時(shí)鐘頻率為18MHz，所有寄存器都按字地址邊界對(duì)齊，32位寬。

LPC2378 ARM內(nèi)部具有一個(gè)完全兼容USB2.0全速規(guī)范的USB設(shè)備控制器，為提高了芯片性價(jià)比，USB設(shè)備控制器嵌于LPC2378 ARM CPU內(nèi)部［4］。

2.3 LPC2378 ARM USB硬件電路設(shè)計(jì)

LPC2378帶有2個(gè)USB接口-USB1和USB2。本系統(tǒng)僅需要使用其中一個(gè)，即利用其中的USB1接口設(shè)計(jì)了的USB功能設(shè)備，如圖4所示。

USB1的USB總線數(shù)據(jù)線為P0.29(D+)和P0.30(D-)，只需將2個(gè)匹配電阻(阻值為22歐)接到這2個(gè)引腳和USB接口USB1的第三腳和第二腳即可。

圖4 LPC2378 ARM USB接口電路

為有效控制主機(jī)與USB設(shè)備之間的連接，接口電路使用LPC2378 ARM的P2.9(只能使用該引腳)來實(shí)現(xiàn)軟件連接特性。當(dāng)P2.9為高電平時(shí)，主機(jī)斷開與USB設(shè)備的連接，D+線斷開與VDD3.3的連接;P2.9為低電平時(shí)，主機(jī)與USB設(shè)備建立連接3，D+線通過R21(1.5KΩ)上拉到VDD3。

USB1的第一引腳通過一個(gè)1kΩ的限流電阻與專用檢測(cè)引腳P1.30相連接，用來檢測(cè)USB線是否已經(jīng)插入。

如果USB總線已經(jīng)處于活躍狀態(tài)，發(fā)光二極管LED2能夠表征USB總線的運(yùn)行狀態(tài)，如USB設(shè)備枚舉成功，則點(diǎn)亮LED2，如USB處于正常通行狀態(tài)，則使LED2閃爍，如USB設(shè)備處于懸空狀態(tài)或通行不正常，則熄滅LED2。

靜電釋放器件U6選用了PRTR5V0U2X，它是專門用于高速數(shù)據(jù)線或高頻信號(hào)線的保護(hù)器件，可防止靜電損壞芯片。LPC2378的USB2接口電路所接的I/O口與USB1接口電路的I/O口不同，其它用法均相同。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 LPC2378 ARM USB固件程序設(shè)計(jì)思想

盡管LPC2378 ARM內(nèi)置的USB控制器已經(jīng)較為智能，但是再智能的硬件也不可能滿足客戶的所有要求。固件程序的設(shè)計(jì)思想就是根據(jù)用戶實(shí)際的需要，設(shè)計(jì)程序流程，編寫軟件程序，確保USB通信任務(wù)能夠順利完成。固件程序首先是完成設(shè)備配置，設(shè)備配置包括獲取設(shè)備信息集、識(shí)別接口信息和獲取設(shè)備路徑名，其次是接收USB主控制器發(fā)來的信息，并且能夠向主機(jī)發(fā)送信息。

固件程序設(shè)計(jì)包括三個(gè)層次，第一個(gè)層次是USB設(shè)備硬件抽象層，該層的全部函數(shù)用于配置LPC2378 ARM USB設(shè)備控制器;第二個(gè)層次是USB設(shè)備接口命令層，通過對(duì)相應(yīng)寄存器的讀/寫來完成對(duì)LPC2378 ARM中USB設(shè)備控制器的訪問，可采用函數(shù)程序的編寫完成本層對(duì)相關(guān)寄存器的操作，協(xié)議層和應(yīng)用層也能夠隨時(shí)調(diào)用;第三個(gè)層次是協(xié)議層，USB設(shè)備的所有請(qǐng)求都是協(xié)議層處理的;第四個(gè)層次是應(yīng)用層，應(yīng)用層基本上完成控制器的所有功能，包括抽象層、命令層、協(xié)議層的功能，也都是應(yīng)用層來控制完成的。

為使USB功能設(shè)備在總線上達(dá)到最大的傳輸速率，才設(shè)計(jì)了固件(Fireware)程序，固件程序主要處理USB事務(wù)，這樣使MCU有更多空閑時(shí)間去處理其它的工作。固件程序一般采用中斷控制方式。為確保最高的傳輸速率和簡(jiǎn)化固件程序，當(dāng)微處理器在處理前臺(tái)任務(wù)的時(shí)候，后臺(tái)USB的傳輸可同時(shí)進(jìn)行［5］。

其中一個(gè)端點(diǎn)與前臺(tái)和后臺(tái)數(shù)據(jù)的交換過程如下:

(1)USB總線上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鲀?nèi)部，制器申請(qǐng)中斷。

(2)進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收并存儲(chǔ)。

(3)退出中斷程序后，前臺(tái)對(duì)剛接收和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(4)假設(shè)要發(fā)送數(shù)據(jù)到USB主機(jī)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到LPC2378 ARM USB發(fā)送端的緩沖器中。

3.2 上位機(jī)識(shí)別程序設(shè)計(jì)

USB HID類上位機(jī)識(shí)別過程流程如圖5所示。

在應(yīng)用程序可以開始與HID交換數(shù)據(jù)前，應(yīng)用程序必須先識(shí)別該設(shè)備，并且讀取它的報(bào)表信息，這些動(dòng)作需要調(diào)用一堆的API函數(shù)［6］。應(yīng)用程序應(yīng)首先識(shí)別連接到系統(tǒng)上的HID設(shè)備，在和USB設(shè)備進(jìn)行通信前，也一樣要進(jìn)行這些操作，包括獲取設(shè)備信息集、識(shí)別接口信息和獲取設(shè)備路徑名及打開設(shè)備。

4 結(jié)語

基于USB 2.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種USB接口通訊設(shè)備，能進(jìn)行設(shè)備與主機(jī)的通訊，主機(jī)將本系統(tǒng)作為一個(gè)HID類設(shè)備使用，無需編寫煩瑣的驅(qū)動(dòng)程序就可實(shí)現(xiàn)PC主機(jī)與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，因此大大縮短了開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率。

圖5 USB HID類設(shè)備的PC識(shí)別過程

［1］黃潔.基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28(11):47-50.

［2］畢宇輝，黃成軍，郭燦新，等.基于USB2.0協(xié)議的DSP高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.江蘇電機(jī)工程，2006，25(5):41-44.

［3］李蘭，寧永海.基于CH372的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(34):76-78.

［4］朱曉錦，吳小軍，李帆.基于雙核處理器的機(jī)敏結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010(2):366-369.

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［6］謝成山，薛磊，陳家松，等.Windows環(huán)境下USB應(yīng)用程序?qū)嵗拈_發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2004(14):196-196.