1引言
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)采集的性能指標(biāo)要求越來越高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式已經(jīng)不能滿足需要。通用串行總線因 (USB)具有傳輸速度快、即插即用、易于擴(kuò)展、占用系統(tǒng)資源少等優(yōu)點(diǎn)；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)中的 μC/OS-Ⅱ則具有代碼效率高、占用空間小、良好的實(shí)時(shí)性和可靠性等特點(diǎn)。本文將二者與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于 USB通信和 μC/OS-Ⅱ的集數(shù)據(jù)采集、分析、顯示為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
基于 USB通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示。系統(tǒng)的工作過程就是一個(gè)數(shù)據(jù)采集的過程，其中的每一步都需要不同組的支持。首先，溫度和壓力參數(shù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換變單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理之后，就可以送往 LED顯示或者發(fā)送給 USB接口芯片。USB接口芯片在主機(jī)需要的時(shí)候，把接收到的數(shù)據(jù)經(jīng) USB總發(fā)送給主機(jī)進(jìn)行處理和顯示。主機(jī)和 USB接口的通信則需要設(shè)備固件程序、USB設(shè)驅(qū)動(dòng)程序和 USB主機(jī)應(yīng)用程序的支持。
3 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分：USB通信電路部分、數(shù)據(jù)采集電路部分、數(shù)碼顯示電路部分和固件程序下載電路部分。這些模塊的功能都是在以 ATmega16為核心的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。
3.1 USB通信電路的設(shè)計(jì)
USB通信電路的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備端和主機(jī)端之間的通信，這一功能主要是由核心微控制器 ATmega16和 USB控制器件 PDIUSBD12實(shí)現(xiàn)的。其中， PDIUSBD12是符合 USB1.1協(xié)議的芯片，在 USB通信電路中起著聯(lián)系設(shè)備和主機(jī)的橋梁的作用。微控制器 ATmegal6和 USB控制器 PDIUSBD12之間通過 8位并行總線進(jìn)行通信， 8位并行總線在 ATmegal6端需要連接 8個(gè) I/O口。PDIUSBD12片內(nèi)集成了時(shí)鐘乘法 PLL，晶振電路使用 6MHZ的晶振和兩個(gè) 2pF到 68pF的電容。 PDIUSBD12的信號(hào)輸出端 D+/D一上要各串接一個(gè) 18歐的匹配電阻。通信電路如圖 2所示。
3.2 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路的功能就是將現(xiàn)場的溫度、壓力以及應(yīng)力等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的模擬信號(hào)，再把模擬信號(hào)傳送給 A/D轉(zhuǎn)換電路。此模塊包括溫度采集模塊和壓力采集模塊兩部分。
由于 ATmegal6片內(nèi)集成了可調(diào)增益的差分放大電路和 A/D轉(zhuǎn)換通道，所以溫度采集電路僅由一個(gè)用于測溫的電橋組成。具體做法是根據(jù)熱電阻阻值隨溫度變化的特性，將銅熱電 阻作為電橋的一臂，當(dāng)溫度改變時(shí)，電橋輸出電壓也隨之發(fā)生變化。將電橋輸出電壓送至 ATmegal6內(nèi)部的采樣保持電路，然后進(jìn)行放大、 A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過固件程序的換算就可以得到測量溫度了。
在本系統(tǒng)中，測量壓力采用的器件是廣州森納士儀器有限公司生產(chǎn)的壓力變送器，其量程是 0.0lMPa，輸出信號(hào)是 4~20mA的電流。當(dāng)壓力改變時(shí)，輸出電流也隨之發(fā)生變化，所以在信號(hào)輸出端接一個(gè)精密電阻，然后對(duì)電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過固件程序的換算就可以得到測量壓力了。
3.3 固件程序下載電路
固件程序下載電路的功能就是將編譯好的程序代碼下載到 ATmegal6單片機(jī)的 Flash中去。 ATmega16支持多種編程模式，其中比較簡單也比較方便的一種就是 ISP(In-system-programming，在系統(tǒng)編程)模式，即通過串行 SPI(serial peripheral Interface，串行外設(shè)接口)總線將在 windows中調(diào)試、編譯好的程序代碼下載到 ATmegal6的存儲(chǔ)器。 Flash程序存儲(chǔ)器、 EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、熔絲位和加密鎖定位都可以在這種模式下編程。固件程序下載電路如圖 3所示。
