基于USB的数据采集系统设计及实现

1　引　言

在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题，常常需要将外部的温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集。目前常用的数据采集方式是通过数据采集板卡，常用的有ISA总线，PCI总线，422，485等接口形式的A／D采集卡，这种板卡不仅安装麻烦，而且易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制。通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）的出现，很好地解决了以上问题。本文所设计的就是基于USB总线的快速12 b的数据采集系统。

2　USB总线简介

USB总线是Intel，DEC，Microsoft，IBM等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范，是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。USB具有较高的传输速度： USB协议1．1支持低速（1．5 Mb／s）和全速（12 Mb／s）2种传输模式，而2．0协议支持的速度提高到480 Mb／s。他的数据传输速度比标准串／并口高，且具有使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点。

USB接口采用4线电缆，其中2根信号线，1根电源线和1根地线，电源线可以向外设提供最大5 V，500 mA的电流。USB接口有4种传输方式：控制传输、批量传输、终端传输和同步传输，可以满足不同传输的需要。

3　USB接口的数据采集系统的设计实现

整个系统主要由4部分组成：USB接口芯片及外围电路、控制电路、数据缓冲电路和A／D转换电路。USB接口芯片选择了Cypress公司的EZ-USB 2131Q，该芯片内嵌8051控制器，因此整个系统以EZ-USB控制器为核心，由EZ-USB经控制电路实现对A／D转换电路和数据缓冲电路的控制，模拟信号转换后的数据送入数据缓冲器，当数据缓冲器存满之后，通知EZ-USB控制器，由主机取出数据。整个系统框图如图1所示。

3．1　USB接口电路设计

EZ-USB2131Q是CYPRESS公司生产的EZUSB系列芯片的一种，该芯片集成了USB外设接口所需的功能电路，其原理框图如图2所示。

 AN2131Q具有24个I／O引脚，16 b地址总线和8 b数据总线，可以进行外部存贮器的扩展。

图2中的微处理器是一个具有快速执行周期和加强特性的8051核，其性能是标准8051的5倍，指令系统与标准的8051兼容。他使用内部RAM存储固件和数据，上电后USB主机通过USB总线将固件和外设特性描述符下载到RAM中，然后重新连接，按照描述符中定义的外设特性完成重列举。这使得USB有一个“软”解决方案，即USB外设的设计者可以随时设置和升级固件，不受端口数、缓冲大小、传输速度及传输方式的限制。

本系统中EZ-USB的外围电路主要包括EZ-USB芯片和PC机的接口电路、电源模块及EZ-USB 供电电路、E2PROM枚举电路（I2C总线上连接 E2PROM存储设备的PID，VID），其主要功能是保证EZ-USB芯片的正常工作并实现和PC机的通讯；功能电路是利用他的I／O引脚实现的，由于EZ-USB的 I／O是可编程的，通过寄存器设置PA口的高4位和PB口为输入，用来传输数据缓冲器中的12 b数据，利用 C口接收中断和产生控制信号。

EZ-USB为块传输、控制传输和中断传输提供了16个端点，在数据采集系统设计中使用了块传输方式，使用终端2-in来传输数据，允许的最大数据包为64 B；终端1-out和终端3-out输出控制信号。

参考文献:

[1]. PCI datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PCI_1201469.html.
[2]. EZ-USB datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/EZ-USB_305660.html.