摘 要：在数据采集系统中利用通用串行总线（USB）接口，提高了数据采集系统的传输速度，曾强了系统的抗干扰能力。本系统利用通用串行总线（USB）的高速传输功能，采用基于ARM7TDMI-STM内核的LPC2132主控芯片，将调制后的模拟信号进行AD7829模数转换，完成数据采集后通过USB2．0接口芯片ISP1581实现与PC机的快速数据传输，构成高性能数据采集系统。
关键词：ARM7；USB接口；数据采集
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: ARM7；USB Interface；Data Acquisition
引 言
目前，国内外的数据采集系统常用的数据采集卡有RS-232、RS-485卡、PCI卡、ISA卡等。这些数据采集卡虽然有各自的优点，但是也有各自的缺点。例如：RS-232、RS-485卡的传输速度较慢，PCI卡、ISA卡需要插在主机的PCI插槽或ISA插槽上，使用不方便等。通用串行总线（USB）是一种新的接口方式，具有连接方便、支持热插拔、无需外接电源、传输速度高、功耗低等优点。USB 2.0的最大传输速率高达480Mbps。因此，基于USB的数据采集系统在通信、遥感、智能仪器仪表、工业自动化等领域得到了广泛应用。
1 系统硬件设计
该数据采集系统的硬件部分主要由A/D转换器AD7829，LPC2132微处理器，USB2．0接口芯片ISP1581和PC机组成。USB数据采集系统硬件结构图如图1所示。
图1 系统硬件结构框图
数据采集系统的工作原理：由传感器采集的信号经调制电路放大、滤波等处理后，进入由微处理器控制的AD7829进行模数转换，转换后的数字量进入微处理器LPC2132并暂存在其中，随后由USB接口芯片将数字量传递给PC机进行数据处理，同时将PC机端的客户应用程序发出的控制信号通过USB接口传送到以LPC2132为核心的数据采集系统[1]。
1.1 USB接口芯片
该数据采集系统选用ISP1581作为USB接口芯片，ISP1581是Philips公司推出的一款高性价比的USB2.0接口电路,支持7个IN端点,7个OUT端点和一个固定控制IN/OUT端点。ISP1581支持SUB2.0的自检工作模式和USB1.1的返回工作模式，可以在高速或全速条件下正常运行。内部集成有串行接口引擎（SIE）、PIE、8KB的FIFO存储器、数据收发器、PLL的12MHz晶体振荡器和3.3V的电压调整器。该电路可直接与ATA/ATAPI外设相连，并具有高速DMA接口。传输速率最高可达480Mbps/s[2]。
1.2主控芯片和A/D转换芯片
为了满足速度的要求，主控芯片选用LPC2132。LPC2132是Philips公司的一款基于ARM7TDMI-STM 内核的微，带有64kB的嵌入的高速Flash存储器和16kB片内静态RAM。多达47个5V的通用I/O口，1个8路10位A/D转换器，1个10位D/A转换器，可提供不同的模拟输出。多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400kbit/s）、SPITM 和SSP。通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率[3]。
虽然LPC2132自带1个8路A/D转换器，但是其每通道转换时间是2.44us,达不到高速数据采集的要求，因此选用AD7829模数转换器。AD7829是一个8路8位模数转换器，最大转换率2Mbps，可以满足系统设计要求。
1.3硬件接口电路
该数据采集系统硬件连接图如图2所示。
图2硬件连接示意图
模拟信号经AD7829转换后变为数字量，数据先存放在LPC2132的寄存器里，再由LPC2132将数据传送给ISP1581，在此将ISP1581的缓冲区定义为8个，分别写入8路转换后的数据。而PC机通过USB接口与ISP1581连接，ISP1581负责分类和解释PC机发来的信号，具体操作流程如下：PC机发送给USB设备的数据以包的形式写入ISP1581的缓存中，当缓存被写满或数据发送完毕后，ISP1581就给LPC2132发中断信号，LPC2132 响应中断信号进入中断服务程序执行相应的包处理。USB设备不能主动向主机发送数据，只有当PC机要求USB设备发送数据时，LPC2132才将主机需要的数据写入ISP1581相应端点的缓存中[4]。
2 系统软件设计
本数据采集系统的软件部分主要由：固件程序设计、应用程序设计和USB驱动程序设计三部分组成。
2.1固件程序设计
固件程序中AD7829的转换脉冲/CONVST是由LPC2132 的P0.18 口发出，当AD7829转换结束后输出有效低电平，LPC2132接到有效电平后，发下一路地址（通过A0，A1，A2的高低电平配置）给AD7829，然后读数据，当AD7829的/RD和/CS信号有效时，将数据读人LPC2132的数据缓冲区的同时将下一路的地址打人，这样循环采集8路模拟输入，直到数据采集结束。
LPC2132与ISP1581之间的通信时靠LPC2132给ISP1581发送命令和数据来实现的。通过ISP1581的INT中断信号与微LPC2132的EINT0口相连，当接收或发送数据成功时会产生中断，固件程序对这些中断进行响应并完成设备的配置。设备固件程序采用Keil C进行编写，包括主循环程序、中断服务程序、USB标准请求处理和批量数据传送请求处理4部分。如图3所示。
图3 固件程序框图
2.2 应用程序设计
应用程序包括Win32DLL程序和用户应用程序。Win32动态连接库是包含共享函数库的二进制文件，可以被多个应用程序同时使用。客户应用程序则是实现数据采集系统功能的软件程序，在本系统中采用Visual C++进行编写。
2.3 USB系统驱动程序设计
USB系统驱动程序采用分层结构模型，如图 4 所示。选用Microsoft公司提供的Windows驱动开发工具Windows DDK。
图 4 USB分层驱动模型
应用程序通过Win32 子系统利用一个Windows定义的软件接口(API)来同根集线器驱动程序进行通信。而USB根集线器驱动程序则要通过USBDI(通用串行总线驱动程序接口) 来实现同通用串行总线驱动程序(USBD)的通信。然后, US2BD会选择两种主驱动程序之一来同其下方的主进行通信。最后,主驱动程序会直接实现对USB 物理总线的访问。在USB可用之前, 必须对其进行配置和接口选择, 然后所选择接口的各个管道才是可用的。在USBDI的基础上进行编程将大大简化, 用户不用关心IRP的类型, 而只需要在相应的分发例程中通过构造USB块并将其通过USBDI发送下去,就可以实现对USB设备的控制[5]。
3 结束语
USB数据采集系统优于传统的实时数据采集系统，它具有安装方便，支持即插即用，易于扩展，电磁干扰小，性价比高等优点。系统采用ARM7 芯片LPC2132和USB 2．0接口控制芯片ISP1581，实现数据采集系统的软硬件设计开发。在实验测试中，使用信号发生器生成8路模拟信号并将其接到数据采集系统的输入端，在PC机上可显示出对应的8路模拟信号波形，单路采样率为150 kSPS，达到系统设计的要求，证明了设计的正确性和实用性。
参考文献
[1] 王立萍，吴黎明．基于嵌入式USB数据采集系统的设计开发 [J]． 电子测量技术，2007，30（9）：24~26
[2] ISP1581 Users Manual [Z]．Philips Corp
[3] 周立功,张华．深入浅出ARM7[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．52~53．
[4] 张广利，阎有运．基于AT89S52的USB数据采集系统的设计[J] ．仪器仪表用户，2008，03：33~35．
[5] 周冲，刘镇．基于AT89S52的USB数据采集系统的设计[J] ．科学技术与工程，2007，7（22）：5935~5938
作者简介：
闫石磊 男，1982年出生，内蒙古赤峰人，硕士研究生。主要研究方向：无损检测与故障诊断。
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