作者：清華大學(xué)精密儀器系（100084） 劉 丁 毛德柱 清華大學(xué)工程物理系（100084） 王云飛 來源：《電子技術(shù)應(yīng)用 》

usb在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要： 已成為pc標(biāo)準(zhǔn)的通用串行總線usb為多點數(shù)據(jù)采集提供了很大的便利，利用usb可以實現(xiàn)較傳統(tǒng)方式更有效、更經(jīng)濟(jì)、點數(shù)更多的數(shù)據(jù)采集。本文介紹了如何利用usb接口來實現(xiàn)多點數(shù)據(jù)采集。

關(guān)鍵詞： usb rs485 數(shù)據(jù)采集

在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常常利用pc或工控機(jī)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這其中有很多地方需要對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等�，F(xiàn)在常用的采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有a/d卡以及422、485等總線板卡。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。而通用串行總線（universal aerial bus，簡稱usb）的出現(xiàn)，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實現(xiàn)低成本、高可靠性、多點的數(shù)據(jù)采集。

１ usb簡介

usb是一些pc大廠商，如microsoft、intel等為了解決日益增加的pc外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，自1995年在comdex上亮相以來至今已廣泛地為各pc廠家所支持�，F(xiàn)在生產(chǎn)的pc幾乎都配備了usb接口，microsft的windows98、nt以及macos、linux、freebsd等流行操作系統(tǒng)都增加了對usb的支持。

1.1 usb系統(tǒng)的構(gòu)成

usb系統(tǒng)主要由主控制器(host controller)、usb hub 和usb外設(shè)(peripherals node)組成系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖１所示。

1.2 usb的主要優(yōu)點

·速度快。usb有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12mbps，另外為了適應(yīng)一些不需要很大吞吐量和很高實時性的設(shè)備，如鼠標(biāo)等，usb還提供低速方式，速率為1.5mb/s。

·設(shè)備安裝和配置容易。安裝usb設(shè)備不必再打開機(jī)箱，加減已安裝過的設(shè)備完全不用關(guān)閉計算機(jī)。所有usb設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進(jìn)行自動配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。

·易于擴(kuò)展。通過使用hub擴(kuò)展可撥接多達(dá)127個外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)usb電纜長度為3m（5m低速）。通過hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30m。

·能夠采用總線供電。usb總線提供最大達(dá)5v電壓、500ma電流。

·使用靈活。usb共有４種傳輸模式：控制傳輸(control)、同步傳輸(synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。

２ 采用usb傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集設(shè)備

2.1 硬件組成

一個實用的usb數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括a/d轉(zhuǎn)換器、微控制器以及usb通信接口。為了擴(kuò)展其用途，還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字i/o端口。

系統(tǒng)的a/d、數(shù)字i/o的設(shè)計可沿用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，根據(jù)采集的精度、速率、通道數(shù)等諸元素選擇合適的芯片，設(shè)計時應(yīng)充分注意抗干擾的性能，尤其對a/d采集更是如此。

在微控制器和usb接口的選擇上有兩種方式，一種是采用普通單片機(jī)加上專用的usb通信芯片�，F(xiàn)在的專用芯片中較流行的有national semiconductor公司的usbn9602、scanlogic公司的sl11等。筆者曾經(jīng)采用atmel公司的89c51單片機(jī)和usbn9602芯片構(gòu)成系統(tǒng)，取得了良好的效果。這種方案的設(shè)計和調(diào)試比較麻煩，成本相對而言也比較高。

另一種方案是采用具備usb通信功能的單片機(jī)。隨著usb應(yīng)用的日益廣泛，intel、sgs-tomson、cypress、philips等芯片廠商都推出了具備usb通信接口的單片機(jī)。這些單片機(jī)處理能力強(qiáng)，有的本身就具備多路a/d，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡單，調(diào)試方便，電磁兼容性好，因此采用具備usb接口的單片機(jī)是構(gòu)成usb數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較好的方案。不過，由于具備了usb接口，這些芯片與過去的開發(fā)系統(tǒng)通常是不兼容的，需要購買新的開發(fā)系統(tǒng)，投資較高。

usb的一大優(yōu)點是可以提供電源。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中耗電量通常不大，因此可以設(shè)計成采用總線供電的設(shè)備。

2.2 軟件構(gòu)成

windows98 提供了多種usb設(shè)備的驅(qū)動程序，但好象還沒有