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２００６年第４期 工业仪表与自动化装置 ・４ｌ・ 一种基于ＵＳＢ的数据采集系统设计 戴海峰。，付翠玉 （１．同济大学汽车学院，上海２０１８０４；２．同济大学机械制造研究所，上海２０００９２） 摘要：介绍了一种基于ＵＳＢ接１２：的数据采集系统的设计，通过合理的电路设计以及基于硬件 的高效软件，使得系统在实际应用中取得了较好的运行效果。 关键词：ＵＳＢ；数据采集；接口 中图分类号：ＴＰ２７４．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－０６８２（２００６）ｏ４－ｏｏ４１－０２ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＳＢ ＤＡＩ Ｈａｉ．ｆｅｎｇ‘，ＦＵ Ｃｕｉ．ｙｕ ． （１．Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｕｎｄｅｒ Ｔｏｎ￣ｉ Ｕｎｉｅｖｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｎｄｅｒ Ｔｏｎｇｆｉ Ｕｎｉｅｖｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉａｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＵＳＢ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｉｔｓ ｒａｔｉｏｎａｌ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｏｐｅｒａ－ ｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ａ ｗｏｎｄｅｒｆｕｌ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＳＢ；ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅ 数据采集是现代检测控制技术的重要环节，在 输接口电路用于将采样后的数据传输到ＵＳＢ接口 诸如高速数据传输、实时信号分析、故障诊断、信号 模块。 处理等应用领域，往往需要数兆甚至数十兆的高速 数据采集系统。对于实时性要求较高的应用场合 （如汽车动力系统响应数据采集等）还需要足够的 数据缓存，以满足被检测信号能实时无间歇的采集 图１ 数据采集模块的组成 传输。ＵＳＢ总线接口所具有的高速数据传输速率是 系统设计中，Ａ／Ｄ转换接口电路在单片机的控 这类数据采集系统的理想选择。 制下，通过时序控制电路启动或停止采样，并通过时 １硬件设计 序控制电路将数据存储到数据存储模块。Ａ／Ｄ转 换采用ＭＡＸＩＭ公司的ｌ４位刻字校准ＡＤＣ芯片 １．１数据采集、存储部分硬件设计 ＭＡＸ１２０１，其采样速度可达到２．２ Ｍｓｐｓ，采样值输 数据采集系统有两个十分重要的指标：采样频 出采用二进制补码格式。ＭＡＸ１２０１工作过程中需 率和采样精度。针对具体应用场合，数据采样频率 要ＲＦＰＳ，ＲＰＦＦ，ＲＦＮＳ，ＲＦＮＦ和ＣＭ五种电压。 和采样精度应以满足后续的信号处理过程为准 数据存储模块具有两组数据总线，一组用于同 则…。该采集系统采集的数据主要应用于汽车车 Ａ／Ｄ转换接口电路连接，接收从Ａ／Ｄ转换模块中写 身结构的动力性能分析，所以其设计的采样频率为 入的数据，总线宽度为ｌ６位；另一组总线用于同单 ２ Ｍ，采样精度为１４位。 片机的连接，将数据存储模块中的数据读人单片机 采集系统包含３个部分：数据采集、数据存储和 并从单片机经过数据传输接口电路传输到ＵＳＢ接 数据传输，结构框图见图ｌ。 口模块，其总线宽度为８位。系统采用４片ＳＲＡＭ 单片机选用ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ８９Ｃ５２，数据传 芯片ＩＤＴ７１Ｖ４１６（２５６Ｋ×１６ ｂｉｔｓ）构成２ ０８４Ｋ的存 储容量。其内部结构见图２。 收稿日期：２００５—１２—１９ １．２ ＵＳＢ接口模块硬件设计 作者简介：戴海峰（１９８１一），男，江苏南通人．博士生，主要研究 数据存储模块在数据采样过程中不需要单片机 方向为汽车电子。 的介入，通过从Ａ／Ｄ引出的ＣＬＫ信号驱动时序控 维普资讯 http://www.cqvip.com
・４２・ 工业仪表与自动化装置 ２００６年第４期 制电路产生采样数据写入的时序，在整个１ ０２４Ｋ× １６ｂｉｔｓ的数据缓存写满后，时序控制电路向单片机 操作（避免出现竞争），将ＣＹ７Ｃ１３６的地址单元分为 两个页面，第１个页面从０ｘ００００～０ｘＯ３ＦＦ，第２个 页面从０ｘ０４００～０ｘ０７ＦＤ，其中，ＵＳＢ接Ｅｌ模块可以 产生一个中断，通知单片机开始读取数据。读取中， 由于５ｌ单片机是８位的数据宽度，而存储器是ｌ６ 位的数据宽度，所以单片机在读取时先读取高８位 数据，再读取低８位，每读取６４位，就将数据写入 ＵＳＢ接Ｅｌ数据传输模块的双端ＲＡＭ，并触发ＵＳＢ 接Ｅｌ数据传输模块的中断，在中断服务子程序中将 对第１个页面进行写操作，对第２个页面进行读操 作，而数据采集模块对第２个页面进行写操作，对第 １个页面进行读操作。ＣＹ７Ｃ１３６中有两个特殊信箱 单元分别对应存储器一端，地址分别是０ｘＯ７ＦＥ和 ０ｘ０７ＦＦ，这两个信箱通过分别使另一端产生中断来 数据传送至ＰＣ。 ０ ０ ０ ｇ 口 ＩＤ若 ｇ ８９Ｃ５２ ＣＬＫ 地址发生器Ｉ１时序控制电路 ＲＩＮＤＴ 时序控制模块 Ｉ： ＳＲＴＳ＿ＴＡＤ Ｃ 图２数据存储模块结构原理图 模块主要由３部分组成：ＵＳＢ总线接Ｅｌ部分，包 括Ｂ类ＵＳＢ插座和ＰＤＩＵＳＢＤ１２接Ｅｌ芯片；微处理 器逻辑控制部分，包括ＡＴ８９Ｃ５２及逻辑控制电路； 双端数据存储区，包括双端ＲＡＭ芯片ＣＹ７Ｃ１３６ （２ ０４８×８ ｂｉｔｓ）和一个８位并行数据接Ｅｌ，结构原 理见图３ ＵＳＢ插座 电源插座 逻辑控制电路 口行 图３ ＵＳＢ接口模块结构示意图 该模块中，ＵＳＢ通信协议由ＰＤＩＵＳＢＤ１２和 ＡＴ８９Ｃ５２单片机共同解释并完成与Ｐｃ的数据交 换，从Ｐｃ接收到的数据或准备送往Ｐｃ的数据暂存 在ＣＹ７Ｃ１３６中，８位并行数据接Ｅｌ则用于连接上面 的数据采集模块以实现ＵＳＢ接Ｅｌ模块与数据采集 存储模块的通信。该模块相对于Ｐｃ而言是一个外 部ＵＳＢ设备，相对于数据采集模块而言相当于一个 占用２ ０４８个外部存储数据空间地址单元的外部 ＲＡＭ。 ＣＹ７Ｃ１３６是一个高速ＣＭＯＳ双端Ｅｌ ＲＡＭ，每个 端Ｅｌ有独自的地址线、数据线和控制线，因此使用它 的两个单片机模块可以分别地读写任一地址单 元。它支持内部硬件优先权判决和硬件信箱中断． 采用这种芯片进行数据交换比较方便可靠。由于其 上述特点，实际使用中，为了防止ＵＳＢ接口模块与 数据采集模块同时对ＣＹ７Ｃ１３６的某一存储单元写 协调两端单片机模块对存储器的读写。 １．３硬件设计中应注意的问题 系统的数据采集模块中，数据存储单元 ＩＤＴ７１Ｖ４１６采用３．３ Ｖ供电，而其他单元基本采用５ Ｖ供电，对于这样的混合电平系统，在设计时要注意 以下几个问题： （１）两个电源之间电流互串问题。在等待或者 掉电时，３．３ Ｖ电源降到０ Ｖ，大电流将流通到地， 这使得总线上的高电压被下拉到低，容易引起数据 丢失或元件损坏。因此必须注意无论何时都不允许 电流流向ＶＣＣ。 （２）接Ｅｌ输入转换门限问题。５ Ｖ器件和３．３ ｖ 器件的接Ｅｌ以及ｒＩ１’Ｌ和ＣＭＯＳ间的电平转换存在 多种可能，因此驱动器必须满足接收器的输入转换 电平并要有足够的容限以保证不损坏电路元器件。 （３）另外，考虑到采样 精度以及ＵＳＢ的正常通 信，还应该考虑ＰＣＢ的电 模块初始化 磁兼容问题。这里不再详 数据采集 述，具体可参考文献［２］。 二［ 采集数据存储 ２软件设计 存储空间满？二≥＝＞，＿ 系统中程序采用Ｋｅｉｌ ｃ编译 ，跟硬件系统相对 应，软件主要包括数据采集 写入ＣＹ７Ｃ１３６ 程序和数据传输程序及ＰＣ 端的程序。数据采集模块 ≤垂 ≥ 软件的整体流程见图４。 触发ＵＳＢ模块的数据Ｉ 数据传输模块的程序 读入中断 ｌ 中用于解释ＵＳＢ数据传 输协议的部分采用Ｐｈｉｌｉｐｓ 公司提供的ＵＳＢ５１Ｓ函数 库，该库提供了ｌ４个函数 、写入完毕？二：—二 、—谴 ．＿，，一 可以用来设置工作模式、 ｌ Ｙ （下转第３６页） 图４数据采集模块 软件流程图 维普资讯 http://www.cqvip.com
・３６・ 工业仪表与自动化装置 ２００６年第４期 Ｉｎｖｏｋｅ函数方法的调用 』。下面给出了实现对ＯＤ— 测系统将核子非接触式测量技术、虚拟仪器技术、自 ＢＣ数据源连接和访问的主要源代码： 动测试技术结合起来，较好的解决了目前高压汽包 ＡＤＯ—Ｎｅｗ—Ｒｅｃｏｒｄｓｅｔ（ＮＵＬＬ，＆ｏｂｊＨａｎｄｌｅ）；／／６，１建新 水位测量误差较大的问题，并具有直观显示、连续测 的记录集对象，并返回一个该对象的句柄 量、稳定可靠等优点，该仪表已在天津、石家庄、哈尔 ＣＡ—ＣｓｔｒｉｎｇＴｏＢＳＴＲ（”Ｓｅｌｅｃｔ ４ ｆｒｏｍ ＳＷＴａｂｌｅ”， 滨等地的多台３０万千瓦机组锅炉上连续工作３年 ＆ｖａｒＢｓｔｒ）；／／ＳＱＬ语句转换为命令字符串 左右，较好的满足了锅炉运行对水位监测的要求，取 ｓｏｕｒｃｅＳｔｒ＝ＣＡ＿ＶａｒｉａｎｔＢＳＴＲ（ｖａｒＢｓｔｒ）；／／指定对数据 得了显著的经济效益。 源进行操作的命令字符串 参考文献： ＣＡ［１］ 孙普男，王铁流．高压汽包核子水位计的研制及应用 —ＣＳｔｒｉｎｇＴｏＢＳＴＲ（”Ｐｒｏｖｉｄｅｒ＝ＭＳＤＡＳＱＬ；Ｄａｔａ Ｓｏｕｒｃｅ＝ＳＷＤａｔａ”，＆ｖａｒＢｓｔｒ）； ［Ｊ］．同位素，１９９６，９（１）：１—６． ＡｃｔｉｖｅＣ０ｎｎｅｃｔｉｎｇ ＣＡ—ＶａｒｉａｎｔＢＳＴＲ（ｖａｒＢｓｔｒ）；／／指 ［２］ 复旦大学，清华大学，北京大学．原子核物理实验方法 定与数据源连接的命令字符串 （上册）［Ｍ］．北京：原子能出版社，１９８１． ［３］ＰＣＬ８１８ＨＤ Ｕｓｅｒ＂ｓ Ｍａｎｕａｌ［ｚ］．Ｔａｉｗａｎ：Ａｄｖａｎｔｅｃｈ Ｃｏ． ＡＤＯＲ—ＲｅｃｏｒｄｓｅｔＯｐｅｎ（ｏｂｊＨａｎｄｌｅ，＆ｅｒｒｌｎｆｏ，ｓｏｕｒｃｅＳ￣， Ｌｔｄ，１９９４． ＡｃｔｉｖｅＣ０ｎｎｅｃｔｉｎｇ， ［４］ 刘君华．基于ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的虚拟仪器设计［Ｍ］． ＡＤＯＲＣｏｎｓｔ—ａｄＯｐｅｎＵｎｓｐｅｃｉｆｉｅｄ， 北京：电子工业出版社，２００３． ＡＤＯＲＣｏｎｓｔ—ａｄＬｏｃｋＵｎｓｐｅｃｉｉｆｅｄ，一１）／／建立连接 ［５］ 杨刚，亢 洁，施 仁．基于Ｉａｂｗｉｎｄ０ｗｓ／ｃＶＩ和局 并打开记录集 域网的多机组振动监测分析系统［Ｊ］．工业仪表与自 建立连接并打开记录集之后，即可对记录集进行 动化装置，２００５，（２）：３８—３９． 操作。需要注意的是在退出程序、结束数据库访问之 ［６］ 徐波，李行善．数据库访问技术在虚拟仪器开发平 前，应关闭记录和连接，并释放参数和对象句柄 。 台Ｉａｂｗｉｎｄ０ｗｓ／ｃＶＩ上的应用研究［Ｊ］．电子测量与仪 器学报，２００２，１６（３）：６６—７０． ５结束语 基于ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的高压汽包核子水位监 （上接第４２页） ＰＤＩＵＳＢＤ１２各端点数据缓冲区读写操作、ＰＤＩＵＳ— ３结论 ＢＤ１２各端点输人中断服务函数以及各端点输出中 系统所采用的器件性能较好，并且满足一定的 断服务函数。数据传输程序中用于双端ＲＡＭ数据 经济性，由于在设计中考虑了诸如带宽、数据缓冲、 交换的程序为数据采集模块通过ＵＳＢ与Ｐｃ交换数 电磁兼容等因素，并且设计了高效的软件，因此在实 据提供一个透明的协议。程序主要包括初始化、主 际使用中，该系统的数据采集和通信效率均较高，运 循环和中断处理。初始化主要对单片机系统及外围 行也比较可靠，取得了良好的效果。 （包括ＰＤＩＵＳＢＤ１２）进行初始化操作，主循环主要是 参考文献： 等待来自上位机（Ｐｃ）的命令以及来自数据采集部 ［１］佟德纯．工程信号处理及应用［Ｍ］．上海：上海交通大 分的信息，中断处理完成来自ＰＤＩＵＳＢＤ１２以及 学出版社，１９８９． ＣＹ７Ｃ１３６的中断 ， 。 ［２］ 吴建辉．印刷电路板的电磁兼容设计［Ｍ］．北京：国防 Ｐｃ端的程序可以利用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司提供的 工业出版社，２００５． ＥａｓｙＤ１２库来编写。该库提供４个可以调用的函 ［３］ 尹 勇，王洪成．单片机开发环境ｕＶｉｓｉｏｎ２使用指南 及ＵＳＢ固件编程与调试［Ｍ］．北京：北京航空航天大 数，用于对ＰＤＩＵＳＢＤ１２端点ｌ、端点２进行读写操 学出版社。２００４． 作。考虑到系统既有较大流量的采样数据发送至 ［４］ 杨金岩．８０５１单片机数据传输接口扩展技术与应用 Ｐｃ，也有较小流量命令数据从Ｐｃ发送到系统，为避 实例［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００４． 免数据在传送过程中丢失或数据混乱的情况，以 ［５］Ｃｈｉｔｓ Ｃａｎｔ著，孙义译．Ｗｉｎｄｏｗｓ ＷＤＭ设备驱动程序 Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋为例，可以在应用程序中启动２个线程 开发指南［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０００． 来分别管理端点ｌ和端点２的数据读写操作 。
