摘  要： 隨著電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(jì)解決方案。采用PIC16F886單片機(jī)為主控制芯片，PDIUSBD12為USB的接口芯片。給出了采集卡的設(shè)計(jì)整體框圖，并介紹了采集卡的硬件電路設(shè)計(jì)以及固件程序設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的USB接口的數(shù)據(jù)采集卡電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，支持即插即用。

　　關(guān)鍵詞： 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(duì)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(jì)算機(jī)外部設(shè)備的普及，微機(jī)技術(shù)和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展不斷對(duì)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(jià)比高等方面具有優(yōu)勢(shì)，本文提出了一種USB接口數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)，有效地解決了傳統(tǒng)總線面臨的問題。

1 采集卡設(shè)計(jì)整體框圖

　　USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的整體設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)內(nèi)部的10位AD轉(zhuǎn)換模塊。

　　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(shí)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(duì)USB采集卡的識(shí)別過程，需要對(duì)USB接口的采集卡進(jìn)行枚舉。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 PIC16F886芯片介紹

　　PIC16F886單片機(jī)是Microchip公司推出的支持精簡(jiǎn)指令集（RISC）的8位嵌入式微控制器[2]。PIC16F886共有28個(gè)引腳，支持PDIP、SOIC和SSOP封裝。它具有  8 096 B的程序存儲(chǔ)器和256 B的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，有11個(gè)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(jī)作為本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主控制器，它具有如下優(yōu)勢(shì)：PIC16F886采用的是精簡(jiǎn)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(jī)的在線調(diào)試和開發(fā)，減少了開發(fā)時(shí)間；PIC16F886有8 096 B的程序存儲(chǔ)空間，因?yàn)閁SB協(xié)議框架移植較大，它可以進(jìn)行USB協(xié)議的單片機(jī)固件編程；PIC16F886有28個(gè)引腳，分別有Port A（RA0：RA5）、Port B、Port C、Port D共24個(gè)，作為I/O端口；另外，有11個(gè)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。

　　2.2 PDIUSBD12芯片介紹

　　本文的USB接口的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)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。

　　PDIUSBD12芯片是一款性價(jià)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(jì)與其他單片機(jī)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(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的解決方案[3]。它還支持直接存儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)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5 V的邏輯電平；內(nèi)置電壓調(diào)整器，可以選擇使用3.3 V和5 V的電源為設(shè)備供電；內(nèi)置PLL鎖相環(huán)，外部時(shí)鐘頻率使用6 MHz；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(chǔ)器管理單元和DMA接口等。

　　2.3 USB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(gè)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(gè)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(shí)序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。此外，PDIUSBD12的外部晶振頻率選擇    4 MHz；D+與D-引腳與USBA型接口的D+和D-數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)連接；3.3 V電壓調(diào)整輸出端口接地，使用5 V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(huì)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(huì)間歇閃爍，直到成功枚舉和配置之后，會(huì)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(gè)通道，分別為ADC0~ADC7。

　　2.4 PCB圖

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

3 固件程序設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)PIC16F886的固件程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括了對(duì)單片機(jī)參數(shù)和PDIUSBD12端點(diǎn)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(jī)識(shí)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(duì)此需要單片機(jī)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(bào)告給PC端的USB主機(jī)，實(shí)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(jì)中必要的環(huán)節(jié)。

　　在USB系統(tǒng)初始化之后，PC端的USB主機(jī)開始控制傳輸過程，需要對(duì)USB接口的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行枚舉，PC端的USB主機(jī)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]：

　　if（（bmRequestType&0x80）==0x80）

　　{

　　//判斷bmRequestType第6、5位，表示請(qǐng)求的類型

　　switch（（bmRequestType>>5）&0x03）

　　{

　　case 0：//標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求

　　switch（bRequest）

　　{

　　……

　　case GET_DESCRIPTOR：//獲取描述符

　　switch（（wValue>>8）&0xff）

　　{

　　case DEVICE_DESCRIPTOR：  //獲取設(shè)備描述符

　　for （i=0； i<18； i++）

　　{

　　pBuffer[i]=USB_DeviceDesp[i]；

　　//保存設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)在pBuffer中

　　}

　　if （wLength > 18）

　　{

　　sendDataSize=18；

　　if （sendDataSize%16==0）

　　ZeroFlag=1；

　　else

　　sendDataSize=wLength；

　　USB_CTL0_Send（）；

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

　　break；

　　….

　　}

　　break；

　　default： break；

　　}

　　}

4 結(jié)論

　　本文提出了一種基于USB接口的數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)方案。該方案主要利用主控制芯片PIC16F8886和USB接口芯片PDIUSBD12來實(shí)現(xiàn)，采集卡電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，支持即插即用，克服了傳統(tǒng)總線的采集卡安裝繁瑣、傳輸速率低、可掛載的設(shè)備少等問題。該USB接口的數(shù)據(jù)采集卡適合于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)也可為便攜式系統(tǒng)提供方便、可靠的接口解決方案。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 馬宗駿，張博，牛大鵬.基于USB的數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2011（3）：68-70.

　　[2] PIC16F886 Data Sheet[EB/OL].[2008-02-01]（2015-01-10）.www.microchip.com.

　　[3] 劉鐵.基于USB的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)[J].紡織機(jī)械，2010（4）：11-12.

　　[4] 周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅(qū)動(dòng)開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

　　[5] 張明峰.PIC單片機(jī)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.