基于USB接口的数据采集仪器设计

基于USB接口的数据采集仪器设计

AppliedTechnology

应用技术

文章编号：1674-9146（2011）05－0093－03

基于USB接口的数据采集仪器设计

杜

彬

太原

（山西职业技术学院，山西

摘器。

关键词：C8051F020单片机；数据采集仪器；USB中图分类号：TP27

文献标志码：A

030001）

要：对系统总体结构及设备的USB接口设计进行了介绍，设计一种以双模式USB为接口的便携式数据采集仪

数据采集仪器一般都是通过RS232串口与计算机通信，随着计算机技术的发展，这种接口实现已经无法满足PC与外部设备之间不断提高的速度以及稳定性、易用性等要求，给用户使用带来了诸多不便。USB接口技术凭借其易用、稳定、可扩展等优点，越来越广泛应用于PC机外设和便携式设备中，笔者设计了一种基于USB接口的数据采集仪器，该仪器可以方便的通过USB接口实现数据的存储，应用简单，方便快捷。

方便地挂接到DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。在USB主机方式下，CH375还提供了串行通信方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与DSP/

MCU/MPU等相连接。

CH375在USB从机模式下内置了USB通信中

的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式。在内置固件模式下，CH375自动处理默认端点0的所有事务，本地端单片机只负责数据交换，单片机程序非常简洁。在外置固件模式下，由外部单片机根据需要自行处理各种USB请求，从而可以实现符合各种USB类规范的设备。

1系统总体结构

该仪器以C8051F020为核心，包括了信号的

前置放大电路、液晶显示模块、键盘接口及USB接口等外围模块。系统整体结构框图见图1。

发光二极管

电源电路

CH375的USB主机方式支持常用的USB全速

设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通信。CH375还内置了处理Mass-

Storage海量存储设备的专用通信协议的固件，外部

单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备（包括USB硬盘、USB闪存盘、U盘）[1-2]。

C8051F020

样品比色池检测器放大电路

USB接口模块

人机交互模块数据寄存器实时时钟模块

单片机

3USB电路设计

USB接口设计采用了USB主从模式设计，当系

A/D转换电路

图1

系统整体结构框图

统工作在主机模式下时，该系统可以检测、识别、配置并访问USB存储设备；当系统工作在从模式下时，该系统可以通过USB接口实现与计算机的通信，一方面可以将数据传送到计算机；另一方面计算机通过上位机应用程序可以实现对系统的控制。双模式下USB接口的功能见第94页图2。

在CH375芯片的复位期间，TXD引脚用于选择通信接口。如果CH375在复位期间检测到TXD引脚为低电平则启用并行接口，否则启用串行接

2USB接口芯片

系统中USB接口芯片采用南京沁恒电子生产

的CH375，CH375是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/

SLAVE设备方式。在本地端，CH375具有8位数

据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以

收稿日期：2011－03－10；修回日期：2011－04－11作者简介：杜

彬（1981-），男，山西太原人，助教，主要从事通信信道干扰抑制技术研究，E-mail：jojo_du@。

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图2

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双模式下USB接口的功能框图

脚将用于串行数据输出，并且CH375芯片只能工作于USB主机方式。

系统中CH375芯片的TXD端通过1K的下拉电阻接地，这样CH375在复位期间检测到TXD引脚为低电平，因此启用并行接口方式。C8051F020单片机控制CH375的电路及主从动态切换电路见图3、图4。

U1

C9

XTAL1GNDXTAL2VDDAV+VREF

27VCC1112

C11

AGNDMONEN

RST

AGND5

103R5110K

C15104

26

27Y1MHzC10C14

106

7271706968676665

P7.0P7.1P7.2P7.3P7.4P7.5P7.6P7.7

口。如果启用串行接口，那么复位完成后TXD引

U6

VCC

289512231110

VCCV3TXDGNDGNDUD-UD+RSTI

A0RD_NWD_NCS_NINT_NRSTRST_N

843271

SLAVE_S

2526

D0D1D2D3D4D5D6D7

1519171819202122

R501K

GND

D-D+C6

C7

20.47μF

15pF

Y2

MHz

14

13

XIXOCH375

73925256P6.7P4.6P4.7P3.2P0.6P4.1C8051F020

C8

15pF

图3单片机控制CH375电路

P1P1

GNDGNDD+D-VUSB

SLAVE

GNDGNDD+D-VUSB

HOST

542SLAVE

54321

R24

D+D-D+D-+

SLAVE_S

R231KR222K

图4

L4

INDUCTOR

C51106

VCELL

3.3

D12USB5VIN

C50

100U/16V

D13

P6KE18A

USB主从动态切换电路

4系统软件设计

系统软件设计包括单片机端软件设计和从模式

4.1主机模式下软件设计

嵌入式USB主机系统的核心软件包括USB主

下计算机端的应用界面设计，单片机端的软件包括机协议的系统软件、MassStorage类协议软件及

USB主从模式下的固件程序设计。

FAT文件系统软件3个部分，USB主机协议的系统

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软件设计将部分实现PC上USB主机的USB核心驱动程序的功能。单片机读写U盘的程序流程见图5、图6。

文件级API应用层接口FAT12/16/32文件系统层

式，Windows系统下应用程序与接口设备通信流程结构见图8。

Win32API

应用程序

调用

Win32子系统IO请求包

IO请

求包

总线驱动

硬件设备

SCSI/UFI/RBC命令层Bulk-Only传输协议层USB基本传输控制/批量USB-HOST硬件接口层

图5

以扇区读写闪存或者硬盘

硬件设备驱动

Bulk-Only传输协议层USB基本传输控制/批量USB-DEVICE硬件接口层

图8应用程序与接口设备通信流程结构

在Windows下每个应用程序和驱动使用自己的语言与操作系统通信，应用程序使用Win32API函数，驱动通信使用IO请求包（IRPs）结构。每个

嵌入式USB主机及存储设备内部层次

开始

初始化单片机及CH375

IO请求包（IRPs）请求或执行一个单个的输入输出

等待

动作，USB设备驱动程序使用IRPs传递总线通信处理USB通信。

检查U盘连接

N

USB设备驱动程序使应用程序不需要知道物理

连接信号和与该设备通信的协议等细节，直接通过使用Win32API函数与USB设备进行通信。购买

Y

写入采集到的数据写完后关闭文件

结束

图6

主机模式下程序流程图

CH375芯片时，设备商随盘提供CH375芯片的设备

驱动程序，使用该驱动程序缩短产品的开发周期。

4.3.2应用程序界面设计

CH375在计算机端提供了应用层接口，该接口

是CH375动态链接库CH375DLL.DLL面向功能应用的API，包括设备管理API、数据传输API、中断处理API。通过该API中的文件函数可以实现对设备的控制。

4.2从机模式下固件程序设计

从机模式下CH375专门用于处理USB通信，

当CH375接收上位机发送的数据或发送完给上位机的数据后，以中断方式通知单片机[3]。本地端单片机程序主要完成CH375的初始化和数据的接收与发送（见图7）。

中断入口

数据下传

VisualBasic6.0中没有专门用于处理USB接口

的标准控件，因此在VB中通过调用

CH375DLL.DLL中

数据上传

判断中断状态

的API功能函数，实现应用程序对

写数据命令

没有请求上传

释放缓冲区

释放缓冲区退出中断

读数据命令分析数据

请求上传

USB接口的控制

（见图9）。

5结束语

该文将双模式USB数据传输方式应用于便携式

退出中断

将采集数据写入上传缓冲区

传送完释放缓冲区

退出中断

数据采集仪器中，充分体现了便携、灵活和可靠等优点。该设备既可以直接与PC机进行数据通信，工作于有计算机的实验室测试环境，也可以通过U盘作为数据传输中介，使设备工作于在线检测。本方案有效解决了传统数据采集仪器的局限，可以满足不同测试环境的要求，并且数据存储方便快速，具有广阔的应用前景。

参考文献：

图7从机模式下的固件程序

4.34.3.1

PC端USB驱动程序及应用程序界面设计PC端USB驱动程序

Windows操作系统下，对计算机接口的编程采

用Windows操作系统与计算机外部接口设备通信方

[1]

张迎新,雷文,姚静波.C8051F系列SOC（下转第97页）

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10080

透光率/%

度观察，图2与图3不属于同一种物质。根据分析，2867cm-1，2917cm-1处为-CH2对称与不对称伸缩振动，2838cm-1，2950cm-1处为-CH3对称与不对称伸缩振动，1456cm-1处为-CH2弯曲振动，

60402004000

图3

1375cm-1处为-CH3弯曲振动，而800cm-1~

3000

2000

波数/cm-1

聚碳酸酯（PC）标准红外光谱图

1000600

1200cm-1处的一系列尖锐特征峰为-CH3和-CH2的

伸缩和变形振动。由此可知，图2为聚丙烯红外光谱图，即2号样为聚丙烯（PP）塑料奶瓶。

称伸缩振动[3]。4实验结论

3.21号样红外光谱谱图分析

由图1可知，该图在2964cm-1，2933cm-1，

1）用傅立叶红外光谱法检测了两种不同类别

的塑料奶瓶，根据与标准谱图比较及判断，1号塑料奶瓶的主材质为聚碳酸酯（PC），2号塑料奶瓶的主材质为聚丙烯（PP）。

2853cm-1，1770cm-1，1503cm-1，1220cm-1，1187cm-1，1158cm-1，1079cm-1，1012cm-1，827cm-1处存在特征峰。

从特征峰存在的位置观察，图1与图3整体存在微小偏差，但在偏差范围之内；从特征峰的强度观察，图1与图3基本一致。由此可知，图1与图

2）用傅立叶红外光谱法检测塑料奶瓶具有用

量少、速度快、准确度高等优点，对提高塑料奶瓶的质量监控能力有一定的参考价值。

参考文献：

3属于同一种物质，即一号样为PC塑料奶瓶。3.3

2号样红外光谱谱图分析

由图2可知，该图在2950cm-1，2917cm-1，

[1][2]

唐霞,佟丽萍.聚碳酸酯国内外生产技术及市场前景[J].辽宁化工,2007(9):603-608.

徐兆瑜.双酚A开发与市场前景分析[J].精细化工化纤信息通讯,2002(2):6-9.

2867cm-1，2838cm-1，1456cm-1，1375cm-1，1166cm，997cm，972cm，898cm，840cm，

-1

-1

-1

-1

-1

[3]董炎明.高分子分析手册[S].北京:中国石化出版社,2004.

（责任编辑

王

雯）

808cm处存在特征峰。从特征峰存在的位置及强

-1

ResearchonDetectionofPCPlasticBottlebyUsingInfraredSpectroscopy

JinXin-hui1，FanSong-can2

（1.TaiyuanPlasticsInstitute,Taiyuan030024China;

2.TaiyuanScienceandTechnologyStrategyAcademy,Taiyuan030009China）

Abstract:Inthispaper,firstly,theauthorsexpoundedwhetherplasticfeedingbottlesweremadebypolycarbonatethroughdetectingPCplasticbottlebyinfraredspectroscopy.Secondly,theauthorsputforwardthatthespectroscopyhastheadvantagesoflowdoseandfastspeedfromaspectofimprovingqualitycontrolofplasticfeedingbottle.Keywords:infraredspectroscopy;detection;PCplasticbottle

（上接第95页）

单片机原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2005.

[3]周立功.PDIUSBD12USB固件编程与驱动开发[M].北京:北京航空航天大学,2003.

（责任编辑

赵

娟）

[2]马伟.计算机USB系统原理及其主/从机设计[M].北京:

北京航空航天大学出版,2004.

DesignofApparatusofDataAcquisitionBasedonUSB

DuBin

（ShanxiPolytechnicCollege,Taiyuan030001China）

Abstract:Inthispaper,theauthorintroducedoverallstructureofsystemandUSBofapparatus,anddesignedapparatusofdataacquisitionbasedondoublemodelUSB.

Keywords:C8051F020singlechip;apparatusofdataacquisition;USB

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/43im.html