1、 第 1 页 第 60 页基于 USB 接口的多路数据采集系统摘 要通用串行总线是一种新型的总线传输方式。随着客户对系统数据采集速度要求的不断提高，USB 作为一种新型的接口技术，以其简单易用、速度快而被广大用户所接受。在科学研究或实验室的很多场合，一般采用微处理器和 USB 接口芯片相结合的方式来完成控制系统的数据采集。但在 USB 的拓扑结构中，居于核心地位的仍然是 PC 机，USB 设备无法脱离 PC 机而存在。针对 USB 设备的应用局限，借助 CH375 芯片，设计了便携式数据采集系统，以 U 盘作为其临时存储工具，方便了室外的数据采集工作。本文主要介绍了一种 USB 通用接口芯片
2、CH375，及其在单片机的嵌入式系统中的应用。在介绍了 CH375 控制器芯片的主要特点的基础上，重点阐述了硬件电路的设计，以及如何将单片机的数据按协议规定写入 U 盘，其中的协议包括 FAT文件协议，USB1.1 协议和 UFI 命令协议。在器件选择上，除了采用具有主机控制器功能的 CH375 芯片外，其核心芯片采用的是 AT89 系列单片机 AT89C52 作为中央处理机，并对其进行了内存的扩展，更加适合于室外的采集工作。关键字：通用串行总线，接口芯片，单片机，C 语言第 2 页 第 60 页Multi-channel data acquisition system based on US
3、BABSTRACTUniversal Serial Bus is a new type of bus transfer method. With customers requirements of speed on the system of data collection continuous improving, USB is accepted by its easy-to-use and fast to the majority of users as a new interface technology. In many occasions of scientific research
4、 or laboratory, people often use the microprocessors and the USB interface chip together to complete the controlling of the system for data collection. But in the USB topology, PC still lives in the core and USB devices cannot exist without PC. For the application of limitations of USB devices, with
5、 CH375 chips, I design a portable data acquisition system with the U-disk storage as a temporary tool to facilitate the data collection work outdoors. This paper presents a common USB interface chip CH375 and its use in MCU embedded system. Based on the introduction of the main characteristics of th
6、e CH375 controller chip, I expound the hardware circuit design and how to write the data into the U-disk by the agreement provisions; the agreement includes FAT file agreement, USB1.1 agreements and UFI order agreement. On the choice of the device, in addition to a host controller function with the
7、CH375 chip, the core chips is AT89C52 which is one of the AT89 series SCM to be the central processor and expand its memory to make it more suitable for outdoor acquisition work. Keyword: Universal Serial Bus, Interface chips, SCM, C language1 绪论1.1 USB 技术及数据采集系统的起源和发展随着电脑技术的拓展和应用，计算机的外围设备越来越多，出现了各种
8、各样的外设接口：并行口、串行口、键盘接口、鼠标接口、游戏手柄口、音频输入输第 3 页 第 60 页出口、视频输出口、网络就口等。由于各种外围设备的不断增加，计算机所提供的可用于连接外设的资源日渐捉襟见肘，常常由于不能提供更多的接口，而导致各种 I/O 的冲突，价值各种中低速外设缺少一个双向、低价、即插即用的统一的总线，限制了外围设备的研制与开发。因此，如何简化外设扩充方法是指方便易行，便成为各个计算机厂家面临的重大研究课题 1。USB 的规范是IBM，Compaq，Intel，Microsoft，NEC 等多家公司联合制定的。USB 总线规范草案最早提出于 1994 年底，几次修改，推出了版本
9、号为 0.7 的正式版本，于 1996年又推出 USB1.1。在 USB1.1 版本中定义了两种速度的 USB 传输模式，低速（Low Speed）模式的数据传输速度为 1.5Mb/s；全速(Full Speed)模式使得 USB 的传输速度达到了 12Mb/s。2000 年底，USB 组织又推出了新版本的规范USB2.0,这个版本将 USB 总线的传输速度提高到了 480Mb/s 的水平 2。由于 USB 具有高速度、低成本、低能耗、即插即用以及使用与维护都很方便等有点，USB 端口已成为了微机主板的标注端口；几乎所有的微机外设，包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机、扫描仪和游戏手柄等等
10、，都通过 USB 与主机相连。USB 使用可以分为几大类：存储类，如移动硬盘、CD/DVD、读卡器等；有线连接类，如 USB 网卡、DSL 路由器、共享器等；蓝牙及无线类，如蓝牙转换器、无线网卡；人机界面类，如键盘、鼠标等；影音图像类，如 MP3、USB 音像等；还有如 PDA、modem、电话等。目前，USB 在存储类设备和影音图像类设备中应用尤为广泛，特别是优盘和 smart card 读卡器，价格适中，使用方便，已逐渐成为代替软驱的新一代移动存储工具，在企业、商务、办公事务上应用越来越广泛。在工业场合 USB 也受到足够的重视，并已应用于很多数据传输场合，比如数据采集 3。 数据采集技术
11、是信息科学的一个重要分支，与传感器技术、信号处理技术、计算机技术共同构成了现代检测技术的基础。而数据采集技术正是这些技术的前端，也是信息进行可靠传输和正确处理的基础 4。数据采集是获取信息的基本手段。是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字信号，并送入计算机进行存储、处理、和输出处理结果的过程。实现数据采集的系统为称为数据采集系统 5。数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算第 4 页 第 60 页机能够识别和处理的数字信号，然后送入计算机和相应的信号处理系统，根据不同的需要进行相应的计算和处理，从而得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示、打
12、印和记录，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量 6。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度，在保证精度的条件下，应尽可能的提高采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求 7。随着计算机科学技术的飞速发展和普及，数据采集系统得到了越来越广泛的应用。在工业生产过程中，数据采集系统可用来实现生产过程的实时监控，对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低生产成本提供信息和手段 8。在科学研究中，数据采集系统用来实现对研究目标的定量分析和动态模拟，是揭示科学奥秘的重要手段。目前，数据采集技术己经渗透到雷达、
13、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损监测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等众多领域 9。1.2 课题的研究意义根据数据采集装置的用途不同，大体上可将其分为两类:在线式数据采集装和便携式数据装置 10。在需要批量数据采集，但采集对象为移动的场合或是采集装置工作场所不固定的情况，如:野外进行数据采集，较复杂设备的故障检测、即时数据采集，工程车辆试验参数采集等。这些数据采集工作环境变化频繁，虽要求数据及时采集，但可以随后分析。若是采用以上的实现方法虽然可靠性高，但成本上也高，移动或携带不方便。便携式数据采集装置就是为适应以上这些场合的数据采集而设计的。便携式数据采集与在线数据
14、采集的不同在于数据的采集和计算机之间的通讯并不同时进行。它由电池供电，有自己的内部存储器，可以存一定量的数据，并可在适当的时候将这些数据传输给计算机 11。随着现代电子技术的飞速发展，便携式解决方案在数据采集中开始占据越来越大的比重，并越来越多地倾向于低电压、低功耗、微型化设计，有的小型数据采集器甚至小到可以放进衬衫口袋里。目前，一些市场上出售的小型数据采集器实际上就是全功能的计算机。它们是功能强大，具有现场实时数据采集、处理功第 5 页 第 60 页能的自动化设备，具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能;为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证，并能方
15、便地将采集的数据输入计算机，已广泛应用在工业、农业、商业、交通、物流、仓储等行业。因此，根据当前数据采集发展的实际情况，研制开发符合生产需要的便携式数据采集装置有很深刻的意义 12。1.3 国内外研究现状1995 年通用串行总线(USB)标准出现，为计算机外设提供了一个全新的接口标准。当前，USB 接口技术的应用已十分成熟和普遍，它使外设和 PC 机连接方便。USB 接口具有速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、能够采用总线供电、使用灵活等优点 13。目前，USB 设备的开发和应用在国内外处于高速发展阶段，具有广阔的发展前景。USB 数据采集系统也倍受关注，并研制生产出许多相关产品，使数据采集
16、进一步向即插即用、小巧便携的方向发展。USB 成为便携式和简单测量设备的首选接口。在数据采集系统中采用 A/D 卡以及 422、485 等数据采集板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。特别是便携式计算机的接口资源更受限制 14。而将USB 应用于数据采集，可以很好地解决以上这些冲突，很容易就能实现高速实时、大容量、低成本、高可靠性、多点的数据采集。基于 USB 接口芯片的数据采集卡具有安装方便、即插即用、置于机箱外、电磁干扰小、供电方便、容易扩展等优点 15。但是，这些设计大多数是使用 USB 从设备芯片，系统只能和 PC
17、机交互数据，只有极少部分设计使用了主机接口芯片，系统可外挂 USB 移动存储。1.4 课题研究的难点在单片机系统中开发 USB，不同于 PC 系统，其难点分析如下:USB 技术一开始是基于 PC 机发展起来的，PC 机中都内嵌了 USB 主机控制器，而且主机控制器的驱动不需要设备开发的技术人员关心，他们只关心自己所做的设备的相关驱动。而在嵌入式计算机中开发 USB，首先需要实现 USB 主机控制器的硬件设计及其驱动。在 PC 上实现 USB 时 PC 具有丰富的可用资源，其中包括高达 512MB 字节的存第 6 页 第 60 页储器 20-60GB 的硬盘以及 2GHz 或速度更快的微处理器。
18、此外，五年多来 Windows MAC OS 以及 Unix 等操作系统一直支持 USB，世界上有成千上万的工程师在设计基于 PC 的 USB 应用程序和设备驱动程序。而在嵌入式计算机中开发 USB,由于其资源有限，通常只具有不超过 64K 的存储器，所以要求软件系统必须精简有效率，这也是难点所在。在单片机系统中的 USB 主机控制器开发难度比开发一个 USB 设备要大得多，工作量也要大得多。另外，它需要开发者很熟悉操作系统下的驱动管理机制和USB 协议中关于主机控制器驱动的部分。这也是许多嵌入式计算机中开发 USB 的难点所在。由于在嵌入式中开发 USB 相对是一项较新的技术，只有为数不多的
19、工程师具有这方面的工作经验，可以参考的资料也相对有限，这样开发工作只能慢慢摸索，不断的改进才能真正发挥 USB 产品的高速的数据传输的优点。1.5 课题的主要工作本次课题主要是针对在单片机系统中无法应用 USB 产品的缺陷而做的相关的研究与设计，主要的工作如下:分析 USB 协议以及 USB 海量存储类协议和 FAT 文件系统，确定在嵌入式系统中实现 USB 主机所需要的软硬件条件。用单片机控制数据采集，制作数据采集系统电路。用单片机作为中央处理芯片，CH375 芯片作为主机控制芯片，完成 USB 主机控制器的软硬件的设计工作。在本设计中主要针对 USB 移动类存储设备(U 盘)，实现与 PC
20、 机类似的 USB 主控功能，包括建立文件和目录，写入文件、删除文件等功能。第 7 页 第 60 页2 USB 协议的介绍USB 的出现是计算机接口技术发展的必然，USB 技术最早是应用在 PC 中的，本设计的目的就是希望单片机系统可以取代 PC 机完成对 USB 设备的控制。本章在详细介绍 USB 协议的主机协议部分的基础上，阐述在单片机系统中实现 USB 主机控制功能的关键技术。2.1 USB 系统结构模型USB 以 USB 主机为核心，以外围的 USB 设备为功能，组成了系统模型，也就是说，USB 提供的是主机和设备中间的一种数据通信业务，系统的模型如下:图 2.1 简单的 USB 系统
21、结构模型 162.2 USB 系统的软硬件组成及其分析USB 由基本硬件和基本软件元素构成，其中基本硬件包括:USB 主机控制器/根集线器;USB 集线器和 USB 设备。基本软件包括:用户软件、USB 设备驱动程序、USB 核心驱动程序(USBD)和 USB 主机控制器驱动程序。图 2-2 所示的就是包含在USB 系统中的硬件和软件元素以及他们之间的联系。由图可知，USB 系统的软硬件资源可以分为 3 个层次，即功能层、设备层、和接口层。接口层涉及的是具体的物理层，其主要实现物理信号和数据包的交互;设备层主要是提供 USB 基本的协议栈，执行通用的 USB 的各种操作和请求命令;功能层提供每
22、个 USB 设备所需的特定功能，主机端的这个功能由用户软件和设备类驱动程序提供 17。下面分别说明 USB 系统的基本的硬件元素和软件元素:USB 主机 USB 设备第 8 页 第 60 页图 2.2 USB 系统组成2.2.1 硬件组成元素及其分析(1)USB 主机控制器 USB 的所有通信都是在主机端产生的，具体是由软件控制来实现。主机硬件组成了 USB 的主机控制器，它初始化 USB 系统上的事务处理，根集线器为 USB 设备提供了连接点(或端口)。目前已经开发出了两个 USB 主机控制器方案:开放主机控制器(OHO)和通用主机控制器(UHC)。OHC 是由康柏、微软和国家半导体公司联合
23、制定的，而 UHC 是由 Intel 公司定义的。这两种主机控制器执行同样的基本工作，只是在具体实现方式上有轻微的差异。USB 主机控制器由控制器和根集线器两部分组成，下面将分别给予介绍:主机控制器 主机控制器负责产生事务处理，这些事务处理已经由主机软件安排好。主机控制器驱动程序(HCD)软件在内存中建立一个数据结构的连接列表。这些数据结构定义了那些安排好的将要被执行的基本事务处理。这些数据结构被称为传输描述符，它包含了主机控制器产生事务处理所需要的全部信息，这些信息包括:USB 的设备地址、传输类型、传输方向和设备驱动程序的内存缓冲区地址。主机控制器对一个目标设备执行操作，它从一个内存缓冲区
24、(由 USB 设备驱动程序主机系统 USB 设备用户软件和 USB 设备驱动程序USB 系统软件(USB 核心和主控制器驱动程序)USB 主控制器根 Hub功能单元USB 逻辑设备USB 总线接口USB 功能层USB 设备层USB 接口层实际数据流 逻辑数据流第 9 页 第 60 页提供)读取数据，并把数据发送到目标设备。主机控制器对数据执行一个并行到串行的转换，建立 USB 的事务处理。如果要求一个读传输，主机控制器就建立一个读事务处理，并把它发送到根集线器，根集线器在 USB 上发送读事务处理。目标设备认出地址，并且确定是所要求的数据，设备就把数据发给根集线器，根集线器再把数据传递到主机控
25、制器。主机控制器对数据进行串行到并行的转换，并把数据放到设备驱动程序的内存缓冲区。需要注意的是:USB 根集线器和目标设备在一个事务处理过程中会进行错误检查，检测到的错误由根集线器识别出来，并送到主机控制器，主机控制器对错误进行记录，并向主机软件报告 18。根集线器 事务处理由控制器产生，它先被送到根集线器，然后发送到 USB 上，每一个 USB 事务处理在根集线器处产生。根集线器为 USB 设备提供连接点，并执行一些关键操作:控制它的 USB 端口的电源;激活和禁止端口;认出和每一个端口相连的设备;设置和报告与每一个端口相连的状态事件(当主机软件进行查询的时候)。根集线器由一个集线器控制器和
26、中继器组成。集线器控制器对集线器自身的存取做出反应。例如，主机软件提出的请求，加上或断开某个端口上的电源，中继器把事务处理传输到 USB 和主机控制器或者从主机控制器和 USB 传到中继器。(2)USB 集线器 除了根集线器之外，USB 系统还支持附加的集线器，它允许对 USB 系统进行扩展，附加继电器提供了一个或多个 USB 端口用于连接其他的总线设备。USB 集线器可以被集成到一个设备内部，如键盘和显示器(称为复合设备)，或者作为一个单独的设备实现。此外，集线器可能是由总线供电，就是说:从它自己处获得电源，并为和 USB 相连的所有设备供电。总线供电的集线器由于受到总结提供功率的限制，所以
27、最多只能支持四个 USB 端口。集线器包含两个主要的功能单元:集线控制器和中继器。(3)USB 设备USB 设备包含一些设备描述符，它们指出了一个给定设备的属性和特征。这些设备描述符向主机软件提供了一系列 USB 设备的特征和能力，用于配置设备和定位 USB 客户软件的驱动程序。USB 设备驱动程序也可以用设备描述符来确定需要的附加信息，这些信息用于保证以正确的形式对设备进行访问。这项机制被称第 10 页 第 60 页为设备构架，软件必须理解这个机制，因为软件用它来正确地配置和访问设备。USB 设备分为高速设备和低速设备。高速设备可以看到 USB 上广播的所有事务处理。这些设备接收并发送串行数
28、据，最高传输速率 12Mbps。低速设备不仅在吞吐量上有限制(1. 5Mbps)，而且在功能支持上也有相应的限制。在全速事务处理的过程中，低速集线器端口保持非活动状态，它可以防止全速总线的通信通过低速数据线传送。前导包指出接下来的事务处理将以低速广播。集线器在检测到一个前导包后，将激活低速端口，允许低速设备看到低速总线活动。2.2.2 软件组成元素及其分析(1)USB 系统软件 USB 系统软件主要是指 PC 上操作系统提供的一系列软件和驱动程序，主要包括 USB 核心驱动程序和 USB 主控制器驱动程序。USB 核心驱动程序负责解释 USB设备类驱动程序发来的命令并将其划分为一系列的 USB
29、 事务，然后发给 USB 主控制器驱动程序。USB 主控制器驱动程序负责底层的驱动任务，控制和管理硬件底层，负责将 USB 事务发送给 USB 主控制芯片，并最终将串行数据发送到电缆上。(2)用户软件和 USB 设备类驱动程序 USB 设备类驱动程序，也叫 USB 用户驱动程序，它把用户要求的 USB 命令发送给 USB 主控制器硬件，同时初始化内存缓冲区，用于存储所有 USB 通信中的数据。用户软件主要指用户与 USB 系统之间的一种界面，它主要完成用户对于 USB的控制，以及实时的进行数据交换。对于 USB 系统来说，用户软件并不是必须的19。2.3 USB 系统的通信协议分析在本设计中，整个的软件编制是以数据在主机和设备之间的传输为基础，下面将介绍 USB 协议中最为复杂的底层数据通信结构的内容。2.3.1 数据传输的基本单元“包” ，是 USB 最基本的数据单元，每个包，基本上包含了一个完整的 USB 信息。按照包在整个 USB 数据传输中的作用不同，包可以分为 3 类:令牌包、数据包和握手包，分别介绍如下:(1)令牌包:根据标识域 PID 的不同，令牌包(Token Packet)又可细分为输入包 IN,输出
