基于USB接口的高增益数据采集系统的设计

　　0 引言

　　在现代工业生产和科学技术研究等各行业中，通常需要对各种数据进行采集。目前常用的通过数据采集板卡采集的方法存在着以下缺点：安装麻烦，易受机箱内环境的干扰而导致采集数据的失真，容易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，可扩展性差。而带RS-232串口的数据采集器，在需要大批量、高速传输的场合下，其应用也受到限制。通用串行总线USB（Universal Serial Bus）的出现，很好地解决了上述问题，很容易实现便捷、高速、低成本、易扩展、高可靠性的数据采集，代表了现代数据采集系统的发展趋势。

　　1 硬件设计与实现

　　USB总线传输速度快，为了充分发挥USB总线这一优势，易选用速度较快的微处理器。另外，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。

　　USB接口模块的选择有两种方案：一种是采用带有USB接口的单片机；另一种是采用普通单片机和USB控制芯片。对于第一种方案，不需要设计单片机和USB控制芯片之间的接口电路，简化了电路设计，但是带有USB接口的单片机种类有限，从而限制了单片机的选择。对于后一种方案，可以选择所熟悉的单片机，以减小开发难度，并缩短开发周期。系统采用的是SOC单片机C8051F000，USB控制芯片采用PDIUSBD12。

　　C8051F000单片机［1］是四边扁平贴片封装，内部集成了8通道的12位A/D转换器， 可编程增益放大器PGA，自带看门狗，具有32位数字I/O端口，体积小巧，集成度高，功耗较小，满足USB总线供电的要求。而且，C8051F000单片机最大工作频率可达到25MIPS，采用流水线结构，是单指令周期单片机，运行速度也较快，适于开发USB设备。

　　PDIUSBD12 是Philips 公司推出的符合USB1.1版规范的带并行总线的接口芯片。片内集成了320B的FIFO存储器，在批量模式和同步模式下均可实现1MB/s的数据传输速率，集成了模拟收发器，串行接口引擎，串行接口引擎实现了全部的USB协议层，包括并行/串行转换、位填充/解除填充、CRC校验/产生、地址识别和握手评估/产生等，从而减小了PDIUSBD12驱动程序开发的难度［2，3］。

　　系统硬件包括主MCU、USB接口电路、模拟信号输入调理电路和电源转换电路等组成部分，其工作原理图如图1所示。

　　

　　系统有8路模拟输入，模拟输入信号经过信号调理电路滤波、放大后送给C8051F000，此单片机自带的A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，并通过USB接口传送给计算机。计算机也可以通过USB接口向C8051F000发送命令。系统采用USB总线供电，由于USB总线只能提供＋5V供电，而单片机C8051F000所需要的典型供电电压是3.3V，信号调理电路中的多路转换开关和运算放大器所需要的供电电压是＋9V和－5V，故须设计电源转换电路将5V电压转换为3.3V、－5V和＋9V，以便给相应的芯片提供电压。其中USB接口电路和信号调理电路的设计是最为重要的两个部分。

　　1.1 USB接口电路的设计

　　USB控制芯片PDIUSBD12与计算机及单片机之间的接口电路如图2所示。USB总线共4条线，两条电源线VCC和GND、两条差分数据线D＋和D－。为了防止在读写数据的过程中电压波动，及附近大功率用电设备对电压的影响，在USB总线的两条电源线VCC和GND之间加了去耦电容。USB总线是采用差分数据传输，因此在任意时刻，只能有一个发送器或接收器。在D+/D－线上串接的两个18Ω电阻，及下拉的两个1M电阻是用来进行阻抗匹配的。

　　

　　PDIUSBD12的8根数据线D0～D7与单片机的8根数据线分别连接，实现PDIUSBD12与单片机之间8位数据的并行传输，PDIUSBD12的读写引脚与单片机的I/O引脚相连，以实现单片机对PDIUSBD12的读写操作。PDIUSBD12的引脚A0是命令口和数据口的地址线，PDIUSBD12有两种数据总线方式：多路地址/数据总线和单地址数据总线，为了尽量少占用单片机的I/O引脚，系统采用单地址数据总线，PDIUSBD12的引脚ALE接地，引脚A0与单片机的I/O引脚相连，A0为1时，总线D0～D7上传输的是命令，A0为0时，总线D0～D7上传输的是数据。PDIUSBD12的挂起引脚SUSPD和中断引脚INT分别与单片机的一个I/O引脚相连，以实现PDIUSBD12挂起及PDIUSBD12向单片机发出中断。系统中PDIUSBD12的DMA功能没有使用，引脚DMACK和EOT都通过一个上拉电阻连到电源。振荡电路采用6MHz晶振，经过PDIUSBD12内部倍频电路之后，PDIUSBD12内部实际时钟为24MHz 。引脚GL通过一个绿色指示灯和一个电阻连到电源，当该仪器枚举成功以后，该指示灯亮，当计算机与该仪器进行通讯时，此指示灯闪烁。

　　1.2 信号调理电路的设计

　　信号调理电路主要包括模拟信号多路选择、滤波和信号放大等组成部分，电路如图3所示。

　　

　　系统电路设计中，只使用了单片机C8051F000本身自带的一路模拟输入AIN0；在单片机外围用多路模拟开关CD4051扩展了8路模拟输入。当单片机给CD4066的引脚CONT1输入一个低电平、给引脚CONT2输入一个高电平时，CD4066的引脚IN1和OUT1之间断开、引脚IN2和OUT2之间短接，运算放大器ICL7650的负端输入与它的输出断开，此时ICL7650对它的输入信号放大8倍；当单片机给CD4066的引脚CONT1输入一个高电平、引脚CONT2输入一个低电平时，CD4066的引脚IN1和OUT1之间短接、引脚IN2和OUT2之间断开，ICL7650的负端输入与它的输出直接短接，此时ICL7650和它的外围电路一起组成了一个电压跟随器，只是增大A/D转换器的输入阻抗，并不对它的输入信号进行增益放大。

　　C8051F000片内集成的增益放大器PGA编程范围为0.5～16，当ICL7650作为一个电压跟随器时，系统可编程增益范围为0.5～16；当ICL7650对输入信号进行8倍放大时，系统可编程增益范围为4～128，由此可见，系统可编程增益范围较宽，满足大多数情况下增益放大需要。