(天津市德力电子仪器有限公司 300392)
摘要：USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。 USB总线是Intel，DEC，Microsoft，IBM等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范，是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。USB具有较高的传输速度：USB协议1.1支持低速（1.5 Mb/s）和全速（12 Mb/s）2种传输模式，而2.0协议支持的速度提高到480 Mb/s。他的数据传输速度比标准串/并口高，且具有使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点。这几年，随着大量支持USB的个人电脑的普及，USB逐步成为PC机的标准接口已经是大势所趋。在主机(host)端，最新推出的PC机几乎100%支持USB；而在外设(device)端，使用USB接口的设备也与日俱增，例如数码相机、扫描仪、键盘、鼠标等等。而在工业控制方面，USB设备也占有重要的席位，如USB数字摄像头、USB温度记录仪等。现在通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，存在以下缺点：安装麻烦；价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。而USB数据采集方式不存在上述问题，其属于便携式设备，可热插拔，并且采集速度最高可达到480Mb/s。CYPRESS公司的EZ_USB系列微控制器，采用增强的8051内核，通过集成USB控制器，有单片芯片完成USB设备的能力。ADC0809CCN是并口八位精度的A/D转换芯片，其和8051的连接非常方便，本人本着学习USB2.0开发的态度，采用CY7C68013A-128和ADC0809CCN完成了一个简易的USB数据采集设备，其能够在插入PC机后，显示发现新硬件，正确安装驱动后可以通过上位机软件完成数据的实时采集。
[关键词] USB2.0；CY7C68013A-128S；ADC0809CCN；数据采集；
一USB数据采集系统设计概述
1.1 USB的特点
（1） 热插式（2） 即插即用（3）共享式接口（4）接口体积小巧（5）节省系统资源（6）灵 活（7）低成本（8）可靠性（9）提供电源（10）兼容性
1.2设计目的
USB接口是一种快速、双向、同步、廉价并支持热插拔的串行接口，支持多外设的连接，一台PC可同时支持126设备连接。而USB标准，可热插拔，使用方便，传输速度非常快的通讯接口标准（USB2.0全速模式下480Mb/s）。
1.3 设计实现总体功能
1. USB设备的枚举与识别，包含各种USB令牌包的解释与应答。
2. 固件程序控制外界A/D转换器实现多路数据的采集。
3．上位机软件通过USB接口控制采集通道的选择，以批量传输的方式读取采集的数据。
二系统方案
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三系统芯片功能介绍
1、 功能特点
EZ-USB FX2拥有一个独特的结构，其串行接口引擎（SIE）负责完成诸如串行数据的编译码、差错控制、位填充等与USB协议有关的功能。它将嵌入式MCU（增强型8051）解放出来，简化了固件代码的开发。
2、主要组件
与EZ-USB类似，FX2的CPU也采用增强型8051，它比8051的速度更快、功能更强，且指令集和标准8051完全兼容，并可使用C51编译器。FX2内部包含8.5KB的RAM，它们兼做程序存储器和数据存储器，增强型8051的固件代码就存储在该区域内，FX2也具有I2C总线，以使其能从外部EEPROM中下载芯片固件。另外，EZ-USB FX2系列芯片也采用3.3V供电，且可使用USB总线电源，但是它的功耗较大，其绝对最大值高达936Mw。
3、增强型8051CPU
EZ-USB FX2中内嵌的增强型8051微处理器带有256字节的数据存储器、扩展的中断系统、3个定时/计数器和2个串行口UART。FX2需外接24MHz的晶振，并匹配20pF的电容接地，经过内部振荡电路和锁相环（PLL）倍频电路，产生48MHz的默认工作频率。
3.2 I2C/并口转换芯片PCF8574
PCF8574 是CMOS 电路。它通过两条双向总线（IZC ）可使大多数MCU 实现远程FO 口扩展。该器件包含一个8 位准双向口和一个IZC 总线接口。PCF8574 电流消耗很低，且口输出锁存具有大电流驱动能力，可直接驱动LED 。
四USB设备实现部分设计方案
在USB2.0数据采集系统中，CY7C68013A-128AXC单片机作为主控制器，需要增加一系列的 外围电路的支持才能实现采集通道选择、显示以及USB令牌包的编解码等功能。
1. CY7C68013A的最小系统电路
CY7C68013A是Cypress半导体公司的新一代告诉USB系列芯片，可以用USB2.0最大数据传输速率传输数据。该芯片集成了USB发送器，SIE、8051微控制器、存储器和可编程IO接口，提供USB2.0支持，具有USB2.0的全带宽能力。在整个数据采集系统中，CY7C68013A是控制中心。它主要负责USB设备的建立、主机命令的响应、设备请求指令的发送、各功能部件的控制和采集数据的高速传输。
2. 电源电路
做为一种USB设备对于系统的供电，首先是考虑到由主机通过USB数据线进行供电。考虑到主机对USB外设的电流有限制（不能大于500mA），我对整个电路进行了功率分析，并在电源部分增加了限流保护。经计算在正常情况下，整个系统的电流不会超过300mA，所以系统采用USB总线供电，不需要额外电源。下面是系统中电源部分原理图
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3. 输入输出接口电路
数据采集系统中的输入输出接口电路，其主要由两片I2C/并口转换器PCF8574和7段LED显示器以及4各按键等组成。该接口电路的功能主要负责手动选择AD采集通道，以及采集通道号的显示。
4. 串口通讯电路
CY7C68013A的串口能够完成固件程序在先调试的功能，这样方便了我们找出程序中的漏洞，减小开发难度的同时增加了我们的开发效率，缩短了开发时间。
参考文献:
[1] 钱峰编著。 EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用[M].北京航空航天大学出版社 2006
[2] 王成儒，李英伟,练秋生等编著。 USB2.0原理与工程开发[M]. 北京国防工业出版社 2006
[3] 廖济林著。USB2.0应用系统开发实例精讲[M].电子工程出版社 2006
作者简介：刘翠翠，1985， 现在天津市德力电子仪器有限公司生产助理工作，从事单片机控制及射频技术。
论文作者:刘翠翠
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：数据论文; 接口论文; 电路论文; 设备论文; 芯片论文; 总线论文; 功能论文; 《电力设备》2018年第21期论文;