摘 要：在數據采集系統中利用通用串行總線（USB）接口，提高了數據采集系統的傳輸速度，曾強了系統的抗干擾能力。本系統利用通用串行總線（USB）的高速傳輸功能，采用基于ARM7TDMI-STM內核的LPC2132主控芯片，將調制后的模擬信號進行AD7829模數轉換，完成數據采集后通過USB2．0接口芯片ISP1581實現與PC機的快速數據傳輸，構成高性能數據采集系統。

      關鍵詞：ARM7ï¼›USB接口；數據采集

Design and Realization of Data Acquisition System Based on USB
YAN Shi-lei , SU Wei-jia
(College of Mechanical and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

      Abstract：Uses the Universal Serial Bus (USB) connection in the data acquisition system，enhanced the data acquisition system transmission speed, has strong anti-interference ability of the system。The system uses a Universal Serial Bus (USB) high-speed transmission，uses based on ARM7TDMI-STM the essence LPC2132 master control chip，will be modulated analog signals AD7829 analog-digital conversion，after the completion of data acquisition through the USB2.0 interface chip ISP1581 to achieve with the PC-fast data transfers，constitute a high-performance data acquisition system。

      Key words: ARM7ï¼›USB Interfaceï¼›Data Acquisition
            
      引 言
      目前，國內外的數據采集系統常用的數據采集卡有RS-232、RS-485卡、PCI卡、ISA卡等。這些數據采集卡雖然有各自的優點，但是也有各自的缺點。例如：RS-232、RS-485卡的傳輸速度較慢，PCI卡、ISA卡需要插在主機的PCI插槽或ISA插槽上，使用不方便等。通用串行總線（USB）是一種新的接口方式，具有連接方便、支持熱插拔、無需外接電源、傳輸速度高、功耗低等優點。USB 2.0的最大傳輸速率高達480Mbps。因此，基于USB的數據采集系統在通信、遙感、智能儀器儀表、工業自動化等領域得到了廣泛應用。

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      該數據采集系統的硬件部分主要由A/D轉換器AD7829，LPC2132微處理器，USB2．0接口芯片ISP1581å’ŒPC機組成。USB數據采集系統硬件結構圖如圖1所示。

 åœ–1  系統硬件結構框圖

      數據采集系統的工作原理：由傳感器采集的信號經調制電路放大、濾波等處理后，進入由微處理器控制的AD7829進行模數轉換，轉換后的數字量進入微處理器LPC2132并暫存在其中，隨后由USB接口芯片將數字量傳遞給PC機進行數據處理，同時將PC機端的客戶應用程序發出的控制信號通過USB接口傳送到以LPC2132為核心的數據采集系統[1]。
      1.1 USB接口芯片
      該數據采集系統選用ISP1581作為USB接口芯片，ISP1581是Philips公司推出的一款高性價比的USB2.0接口電路,支持7個IN端點,7個OUT端點和一個固定控制IN/OUT端點。ISP1581支持SUB2.0的自檢工作模式和USB1.1的返回工作模式，可以在高速或全速條件下正常運行。內部集成有串行接口引擎（SIE）、PIE、8KBçš„FIFO存儲器、數據收發器、PLLçš„12MHz晶體振蕩器和3.3V的電壓調整器。該電路可直接與ATA/ATAPI外設相連，并具有高速DMA接口。傳輸速率最高可達480Mbps/s[2]。
      1.2主控芯片和A/D轉換芯片
      為了滿足速度的要求，主控芯片選用LPC2132。LPC2132是Philips公司的一款基于ARM7TDMI-STM 內核的微控制器，帶有64kB的嵌入的高速Flash存儲器和16kB片內靜態RAM。多達47個5V的通用I/O口，1個8è·¯10位A/D轉換器，1個10位D/A轉換器，可提供不同的模擬輸出。多個串行接口，包括2個16C550工業標準UART、2個高速I2C接口（400kbit/s）、SPITM å’ŒSSP。通過片內PLL可實現最大為60MHzçš„CPU操作頻率[3]。
雖然LPC2132自帶1個8路A/D轉換器，但是其每通道轉換時間是2.44us,達不到高速數據采集的要求，因此選用AD7829模數轉換器。AD7829是一個8路8位模數轉換器，最大轉換率2Mbps，可以滿足系統設計要求。
      1.3硬件接口電路
      該數據采集系統硬件連接圖如圖2所示。

             
      
                                   圖2硬件連接示意圖

      模擬信號經AD7829轉換后變為數字量，數據先存放在LPC2132的寄存器里，再由LPC2132將數據傳送給ISP1581，在此將ISP1581的緩沖區定義為8個，分別寫入8路轉換后的數據。而PC機通過USB接口與ISP1581連接，ISP1581負責分類和解釋PC機發來的信號，具體操作流程如下：PC機發送給USB設備的數據以包的形式寫入ISP1581的緩存中，當緩存被寫滿或數據發送完畢后，ISP1581就給LPC2132發中斷信號，LPC2132 響應中斷信號進入中斷服務程序執行相應的包處理。USB設備不能主動向主機發送數據，只有當PC機要求USB設備發送數據時，LPC2132才將主機需要的數據寫入ISP1581相應端點的緩存中[4]。

      2 系統軟件設計
      本數據采集系統的軟件部分主要由：固件程序設計、應用程序設計和USB驅動程序設計三部分組成。

      2.1固件程序設計
      固件程序中AD7829的轉換脈沖/CONVST是由LPC2132 çš„P0.18 口發出，當AD7829轉換結束后輸出有效低電平，LPC2132接到有效電平后，發下一路地址（通過A0，A1，A2的高低電平配置）給AD7829，然后讀數據，當AD7829çš„/RDå’Œ/CS信號有效時，將數據讀人LPC2132的數據緩沖區的同時將下一路的地址打人，這樣循環采集8路模擬輸入，直到數據采集結束。
      LPC2132與ISP1581之間的通信時靠LPC2132給ISP1581發送命令和數據來實現的。通過ISP1581çš„INT中斷信號與微控制器LPC2132çš„EINT0口相連，當接收或發送數據成功時會產生中斷，固件程序對這些中斷進行響應并完成設備的配置。設備固件程序采用Keil C進行編寫，包括主循環程序、中斷服務程序、USB標準請求處理和批量數據傳送請求處理4部分。如圖3所示。

       
               圖3 固件程序框圖

      2.2 應用程序設計
      應用程序包括Win32DLL程序和用戶應用程序。Win32動態連接庫是包含共享函數庫的二進制文件，可以被多個應用程序同時使用。客戶應用程序則是實現數據采集系統功能的軟件程序，在本系統中采用Visual C++進行編寫。
      2.3 USB系統驅動程序設計
      USB系統驅動程序采用分層結構模型，如圖 4 所示。選用Microsoft公司提供的Windows驅動開發工具Windows DDK。

      
             圖 4 USB分層驅動模型

      應用程序通過Win32 子系統利用一個Windows定義的軟件接口(API)來同根集線器驅動程序進行通信。而USB根集線器驅動程序則要通過USBDI(通用串行總線驅動程序接口) 來實現同通用串行總線驅動程序(USBD)的通信。然后, US2BD會選擇兩種主控制器驅動程序之一來同其下方的主控制器進行通信。最后,主控制器驅動程序會直接實現對USB 物理總線的訪問。在USB可用之前, 必須對其進行配置和接口選擇, 然后所選擇接口的各個管道才是可用的。在USBDI的基礎上進行編程將大大簡化, 用戶不用關心IRPçš„é¡žåž‹, 而只需要在相應的分發例程中通過構造USB塊并將其通過USBDI發送下去,就可以實現對USB設備的控制[5]。

      3 結束語
      USB數據采集系統優于傳統的實時數據采集系統，它具有安裝方便，支持即插即用，易于擴展，電磁干擾小，性價比高等優點。系統采用ARM7 芯片LPC2132å’ŒUSB 2．0接口控制芯片ISP1581，實現數據采集系統的軟硬件設計開發。在實驗測試中，使用信號發生器生成8路模擬信號并將其接到數據采集系統的輸入端，在PC機上可顯示出對應的8路模擬信號波形，單路采樣率為150 kSPS，達到系統設計的要求，證明了設計的正確性和實用性。

      參考文獻
      [1] 王立萍，吳黎明．基于嵌入式USB數據采集系統的設計開發 [J]． 電子測量技術，2007，30（9）：24~26
      [2] ISP1581 Users Manual [Z]．Philips Corp
      [3] 周立功,張華．深入淺出ARM7[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2005．52~53．
      [4] 張廣利，閻有運．基于AT89S52çš„USB數據采集系統的設計[J] ．儀器儀表用戶，2008，03：33~35．
      [5] 周沖，劉鎮．基于AT89S52çš„USB數據采集系統的設計[J] ．科學技術與工程，2007，7（22）：5935~5938

      作者簡介：
      閆石磊  男，1982年出生，內蒙古赤峰人，碩士研究生。主要研究方向：無損檢測與故障診斷。

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