基于STM32F103的USB数据采集模块的设计

通用串行总线（USB，universalserialbus）由于具有高传输速率、即插即用和易于扩展等优点而被广泛应用于计算机外设、数字设备和仪器仪表等领域。ARM嵌入式处理器因其低廉的成本和较好的性能被广泛地应用于企业应用、汽车系统、家庭网络和无线技术等市场领域。将USB与ARM相结合是进行数据采集、处理与传输的理想解决方案。

1、USB数据采集系统概述

USB数据采集系统由主机和USB设备两部分组成，如图1所示。本系统中，PC作为USB主机，USB采集模块作为USB设备，通过USB接口与主机相连。模块与主机连接之后，主机能够正确识别设备并将设备初始化（枚举）。设备初始化完毕后，主机向采集模块发送采集命令和任务参数。采集模块正确接收命令后将命令解析并执行，然后通过USB接口将采集到的数据回传到主机上。

从层次上划分，USB系统的软、硬件资源可划分为3个层次：总线接口层、设备层及功能层。接口层涉及的是具体的物理层，主要实现物理信号和数据包的交互，它包括物理链接、电信号环境和包传输机制;设备层主要提供USB基本协议栈，执行通用的USB的各种操作和请求命令，从逻辑上讲就是USB系统软件与USB逻辑设备之间的数据交换;功能层提供每个USB设备所需的特定功能，包括客户应用软件和设备功能块，它们之间有直接的逻辑对应关系。这种对应关系说明在逻辑上客户应用软件只需考虑如何实现具体设备功能即可。USB的层次结构对应关系如图2所示。

图1  USB数据采集系统组成

2、数据采集系统方案设计

在系统开发中选用集成度高的器件，不仅开发方便，而且所开发的系统的性能及其可靠性也较高。另一方面，由于USB接口设备是采用总线供电的，考虑到总线输出功率有限，尽量采用集成度高的器件有利于降低USB总线的负荷。但选用集成度高的器件及其开发工具会导致成本的提高，所以要综合各种因素统筹考虑。

图2  USB系统的层次对应关系

当前，USB的开发方法主要有两种：一种采用具有USB接口的MCU，另一种采用普通MCU和USB通信芯片。后者是目前被广泛采用的方法，技术相对成熟，开发成本较低。由于STM32ARM本身自带A/D转换器和USB控制器，仅需一片ARM即可完成采集与传输的功能，因此无需再外加USB通信芯片，但是调试的成本较大。