一種USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計

林宏泉，秦會斌（杭州電子科技大學(xué)　新型材料與器件研究所，浙江　杭州310018）

一種USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計

林宏泉，秦會斌（杭州電子科技大學(xué)新型材料與器件研究所，浙江杭州310018）

隨著電子信息技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集應(yīng)用越來越廣泛。提出了一種基于USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計解決方案。采用PIC16F886單片機為主控制芯片，PDIUSBD12為USB的接口芯片。給出了采集卡的設(shè)計整體框圖，并介紹了采集卡的硬件電路設(shè)計以及固件程序設(shè)計。所設(shè)計的USB接口的數(shù)據(jù)采集卡電路簡單、性能穩(wěn)定，支持即插即用。

數(shù)據(jù)采集；USB接口；PIC16F886；PDIUSBD12

0　引言

工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域往往都需要對重要數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段［1］。隨著計算機外部設(shè)備的普及，微機技術(shù)和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展不斷對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出新的要求?；趥鹘y(tǒng)總線的采集卡存在的安裝繁瑣、傳輸速率低、可掛載的設(shè)備少等問題，制約著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展。由于USB總線在支持即插即用、數(shù)據(jù)傳輸快、性價比高等方面具有優(yōu)勢，本文提出了一種USB接口數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計，有效地解決了傳統(tǒng)總線面臨的問題。

1　采集卡設(shè)計整體框圖

USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的整體設(shè)計框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集卡的硬件電路選擇PIC16F886單片機作為主控制芯片，PDIUSBD12芯片作為 USB的接口芯片，A/D轉(zhuǎn)換模塊使用單片機內(nèi)部的10位AD轉(zhuǎn)換模塊。

圖1　系統(tǒng)的硬件框圖

系統(tǒng)的硬件部分需要完成與PC端之間的USB數(shù)據(jù)通信，PC需要識別插入的USB接口的數(shù)據(jù)采集卡并完成相關(guān)的配置。PC對USB采集卡的識別過程，需要對USB接口的采集卡進(jìn)行枚舉。

2　硬件電路設(shè)計

2.1PIC16F886芯片介紹

PIC16F886單片機是Microchip公司推出的支持精簡指令集（RISC）的8位嵌入式微控制器［2］。PIC16F886共有 28個引腳，支持PDIP、SOIC和SSOP封裝。它具有8 096B的程序存儲器和256B的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，有11個通道的10位模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器，帶有同步異步收發(fā)發(fā)送接收器USART等。

本文選擇此單片機作為本系統(tǒng)硬件設(shè)計的主控制器，它具有如下優(yōu)勢：PIC16F886采用的是精簡指令集RISC的結(jié)構(gòu)，只有35條指令，程序的執(zhí)行效率和執(zhí)行速度大大提高；PIC16F886具有良好的開發(fā)環(huán)境，支持在線編程，便于單片機的在線調(diào)試和開發(fā)，減少了開發(fā)時間；PIC16F886有8 096 B的程序存儲空間，因為USB協(xié)議框架移植較大，它可以進(jìn)行USB協(xié)議的單片機固件編程；PIC16F886有28個引腳，分別有PortA（RA0：RA5）、PortB、PortC、PortD共24個，作為I/O端口；另外，有11個通道的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以作為采集卡的數(shù)據(jù)采集的通道。

2.2PDIUSBD12芯片介紹

本文的USB接口的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計選擇Philips公司的PDIUSBD12芯片作為USB接口芯片，其引腳圖如圖2所示。

圖2　PDIUSBD12的引腳圖

PDIUSBD12芯片是一款性價比高的USB接口控制芯片，該芯片提供了標(biāo)準(zhǔn)的外圍接口，包括8位的數(shù)據(jù)并口，可以靈活設(shè)計與其他單片機連接，協(xié)同處理USB協(xié)議和數(shù)據(jù)交換，縮短了USB的開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本，是USB外圍通信電路方案中較為簡單和經(jīng)濟(jì)的解決方案［3］。它還支持直接存儲器尋址的DMA傳輸，便于高速的數(shù)據(jù)傳輸。PDIUSBD12芯片也是符合USB2.0協(xié)議的，支持低速和全速模式下的數(shù)據(jù)傳輸。PDIUSBD12芯片支持各種USB外設(shè)，包括外部存儲設(shè)備、打印設(shè)備、掃描設(shè)備等。此外，PDIUSBD12的掛起功耗低可以應(yīng)用于總線供電的外設(shè)，可以滿足對USB電源管理的要求。

PDIUSBD12芯片使用8位并行的數(shù)據(jù)口與外部的PIC16F886主控制器連接，支持5V的邏輯電平；內(nèi)置電壓調(diào)整器，可以選擇使用3.3V和5V的電源為設(shè)備供電；內(nèi)置PLL鎖相環(huán)，外部時鐘頻率使用6MHz；具有軟連接和數(shù)據(jù)指示燈功能，能夠模擬USB的斷開連接，并通過指示燈反饋；此外還包括了模擬收發(fā)器、串行搜索引擎、存儲器管理單元和DMA接口等。

2.3USB接口電路

圖3USB接口電路

圖3所示為PIC16F886主控制器與PDIUSBD12的USB接口芯片的電路連接圖。從圖中可知，PDIUSBD12的8位數(shù)據(jù)并口與PIC16F886的PORTC引腳相連接，A0引腳與MCU的RA4連接，WR_N和RD_N腳分別與MCU的RB5和RB4連接，INT_N腳與MCU的RB0連接，ALE、CS_N和SUSPEND引腳接地。通過PIC16F886的一個IO口RA4與PDIUSBD12的A0引腳連接，來設(shè)置8位的數(shù)據(jù)并口是命令地址還是數(shù)據(jù)地址，A0為低電平，則為數(shù)據(jù)地址；A0為高電平，則為命令地址。通過PIC16F886的兩個IO口，RB4和RB5與PDIUSBD12的讀寫選通引腳連接，模擬數(shù)據(jù)和命令的讀寫時序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。此外，PDIUSBD12的外部晶振頻率選擇4MHz；D+與D-引腳與USBA型接口的D+和D-數(shù)據(jù)線對應(yīng)連接；3.3V電壓調(diào)整輸出端口接地，使用5V電源供電；CLKOUT和DMREQ引腳不使用，懸空。當(dāng)USB設(shè)備上電之后，PWR的LED電源指示燈會一直亮著。在USB設(shè)備的枚舉過程中，USB的數(shù)據(jù)流指示燈會間歇閃爍，直到成功枚舉和配置之后，會常亮。USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的采集通道使用了PIC16F886其中的8個通道，分別為ADC0～ADC7。

2.4PCB圖

圖4所示為USB采集卡的PCB圖，其中PCB圖利用Altium Designer繪畫。

圖4　USB數(shù)據(jù)采集卡PCB圖

3　固件程序設(shè)計

單片機PIC16F886的固件程序設(shè)計的主要內(nèi)容包括了對單片機參數(shù)和PDIUSBD12端點模式的初始化程序、USB設(shè)備枚舉過程中與PDIUSBD12之間的數(shù)據(jù)交換程序、數(shù)據(jù)采集程序。固件編程的目的是為了讓PC端的USB主機識別USB接口的數(shù)據(jù)采集卡，并知道USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的類型和功能，完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。主控制器PIC16F886需要協(xié)同USB接口芯片PDIUSBD12完成數(shù)據(jù)采集卡的枚舉，對此需要單片機進(jìn)行固件程序編程［4］，將USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)描述符信息報告給PC端的USB主機，實現(xiàn)PC端與采集卡之間的USB通信，來為USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的枚舉提供底層的軟件支撐，這是在USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)計中必要的環(huán)節(jié)。

在USB系統(tǒng)初始化之后，PC端的USB主機開始控制傳輸過程，需要對USB接口的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行枚舉，PC端的USB主機獲取描述符和設(shè)置地址的流程圖，如圖5所示。

獲取描述符的程序類似，下面以獲取設(shè)備描述符為例，給出獲取設(shè)備描述符部分程序［5］：

圖5　獲取描述符和設(shè)置地址流程圖

//按sendDataSize大小發(fā)送pBuffer中的數(shù)據(jù)

A design of USB interface of data acquisition card

Lin Hongquan，Qin Huibin
（Institute of Electronic Device and Application，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

With the rapid development of electronics and information technology and computer technology，applications of data acquisition become more and more wide.A design of USB interface of data acquisition card is proposed in this paper.The PIC16F886 microcontroller is selected as the main control chip and the PDIUSBD12 chip is selected as the USB interface chip.The design of the overall block diagram of the acquisition card is described.Also the hardware circuit design of the card and the firmware programming design of the card are introduced.USB interface of data acquisition card designed in this paper is simple and stable，and supports Plug and Play.

data acquisition；USB interface；PIC16F886；PDIUSBD12

TP360.2

A

1674-7720（2015）12-0027-03