基于AT91SAM7X微控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

目前工業(yè)和醫(yī)療上使用的USB設備，絕大部分是使用專用的USB芯片與微處理器相連的，特別是USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。根據(jù)不同的需求，通常也需要外擴一定數(shù)量的A／D轉(zhuǎn)換器，接口非常復雜。有時甚至需要為了協(xié)調(diào)不同的時鐘而外擴FIFO，這樣的設計不但成本大幅提高，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到了嚴重的威脅。本文使用Atmel公司開發(fā)的基于ARM的閃存微控制器AT91SAM7X芯片。芯片內(nèi)部集成了8路10位ADC和USB2．O設備接口，單芯片即可完成設計任務，避免了復雜的接口電路設計，不但有效地解決了以上這些問題，而且在很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 AT91SAM7X數(shù)據(jù)采集主控芯片介紹

AT9lSAM7X是基于32位ARM7TDMI內(nèi)核的微控制器。AT91SAM7X系列微控制器具備嵌入式10／100M以太網(wǎng) （Ethernet）MAC、CAN、全速（12 Mbps）USB 2．O。針對廣泛的網(wǎng)絡化實時嵌入式系統(tǒng)而設計的AT9lSAM7X256還具備1個10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、2個串行外圍接口（SPI）、同步串行接口（SSC）、雙線接口（TWI）、3個通用異步收發(fā)器（UART）、1個8級優(yōu)先中斷控制器（priority interrupt controller）和眾多的監(jiān)管功能。這個新型的50MIPS MCU擁有64 KB的靜態(tài)存儲器和256 KB的25 ns閃存，這種閃存支持實時控制系統(tǒng)所需的可確定性處理能力。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

2．1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計結(jié)構(gòu)圖

本文設計的基于AT91SAM7X的多路USB2．O數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由6部分組成，如圖1所示，分別是輸入信號接口模塊、多路信號放大模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、USB2．O接口模塊和上位機模塊。其中，輸入信號接口模塊、多路信號放大模塊、信號調(diào)理模塊主要完成外部標準的一5～+5 V信號的隔離接人與變換。因為AT91SAM7X的ADC允許接入的轉(zhuǎn)換電壓范圍是O～3 V，所以上述3個過程的信號變換是必要的。本系統(tǒng)主要采用的變換手段為信號的差分放大，主要部分數(shù)據(jù)采集處理模塊和USB2．O接口模塊分別由 AT91SAM7X內(nèi)置的ADC模塊和USB2．O模塊來完成。由于大部分的工作是在同一個芯片內(nèi)部完成，只需通過簡單的寄存器設置和數(shù)據(jù)交換，即可完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程，在很大程度上優(yōu)化了系統(tǒng)的設計。

2．2 AT91SAM7X的ADC模塊介紹

AT91SAM7X的片內(nèi)ADC是基于連續(xù)寄存器（SAR）模型，片內(nèi)通過一個8到1的模擬復用器來實現(xiàn)8通道的模／數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC輸入范圍是O V～ADVREF。ADC支持8位和10位兩種分辨率，可以通過軟件觸發(fā)、外部ADTRG觸發(fā)引腳、內(nèi)部觸發(fā)定時器來啟動ADC?？梢酝ㄟ^配置ADC時鐘、啟動時間、采樣保持時間來提高ADC的精度。ADC不受電源管理器管理，有一個中斷源，如果用到ADC中斷信號，則需要配置中斷控制器（AIC）。

2．3 AT91SAM7X的USB2．O模塊介紹

AT91SAM7X具有內(nèi)置的USB設備控制器，USB設備端口符合USB2．O全速器件規(guī)范，具有12 Mbps的通信速率。每個端點可以配置為幾種USB傳輸類型中的一種。USB設備自動檢測掛起與恢復，通過中斷來停止處理器。同時，為了配合USB設備的使用并發(fā)揮其最大性能，片內(nèi)集成了328字節(jié)的雙口RAM。此雙口RAM的一個DPR段由處理器讀／寫，另一個DPR段由USB2．O外設讀／寫，從而有效地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髱挕?/p>

3 AT91SAM7X的配置與模塊編程

3．1 ADC模塊的配置與模塊編程

ADC模塊功能框圖如圖2所示。ADC模塊是基于逐次逼近寄存器（SAR）的10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，集成了一個8到1的模擬多路復用器，可實現(xiàn)8路模擬信號的模／數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換由O V到ADVREF。同時，ADC支持8位或10位分辨率模式，并且轉(zhuǎn)換結(jié)果進入一個所有通道可用的通用寄存器（即通道專用寄存器）中?？膳渲脼檐浖|發(fā)、外部觸發(fā)ADTRG引腳上升沿或內(nèi)部觸發(fā)定時計數(shù)器輸出。ADC還集成休眠模式與轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器，并與PDC通道連接。這些特性可降低功耗，減少處理器干涉。最后，用戶可配置ADC時間，如啟動時間以及采樣與保持時間。

系統(tǒng)設計中采用多點方式進行A／D轉(zhuǎn)換，ADVREF接3．O V的基準電壓。方便起見，以單點轉(zhuǎn)換為例，說明ADC模塊的配置與模塊編程。當然在A／D轉(zhuǎn)換之前，系統(tǒng)時鐘和整體的配置是必需的，此處只介紹ADC模塊相關的配置與模塊編程。先將與模／數(shù)轉(zhuǎn)換相關的所有寄存器清零，以保證所有寄存器都有確定值。具體配置過程和IAR程序代碼如下：

3．2 USB2．0模塊的配置與固件編程

USB2．0接口模塊如圖3所示。該模塊需要2個時鐘，即USB2．O器件端口時鐘和主時鐘。模塊通過APB總線接口訪問USB2．0器件端口．通過對 APB寄存器的8位值進行讀／寫以實現(xiàn)對存儲數(shù)據(jù)的雙口RAM的讀／寫。外部恢復信號可選，允許在系統(tǒng)模式下喚醒USB2．O器件端口外設，然后主機將通知請求恢復的器件。USB2．O接口進行枚舉時，該特性必須由主機處理。為保留檢查VBUS的I／O線，必須先對PIO的控制器編程，將該I／O配置為輸入PIO模式。USB2．O器件中有一條中斷線與高級中斷控制器AIC相連，因此，處理USB2．0器件中斷時，必須在配置USB2．0器件端口前對高級中斷控制器AIC編程。

本系統(tǒng)中使用USB2．0接口與上位機進行通信。為便于說明，此處以向上位機端通過USB2．0接口傳送O～9的數(shù)字，并循環(huán)10次為例，說明 USB2．0模塊的配置與同件編程。系統(tǒng)初始化完成后，此固件程序就通過USB2．0接口發(fā)送O～9的數(shù)字，循環(huán)10次后結(jié)束。具體的配置過程和IAR程序代碼如下：

注意：在USB2．0通信接121調(diào)試過程中，一定要將USB2．0固件程序下載到AT91SAM7X的F1ash中。這個過程可以通過ARM的地址重映射來完成，然后重新給USB2．0接口上電，因為只有在設備插入時上位機才檢測設備，并提示添加相應的驅(qū)動程序。如果開發(fā)人員調(diào)試的過程中只是將程序加載到RAM中，那么由于數(shù)據(jù)掉電不會保存，固件程序在下一次插入設備時就不會存在，無論在上位機添加何種驅(qū)動程序，上位機都不會接收到數(shù)據(jù)，這樣就會導致整個調(diào)試過程的失敗。

3．3 USB2．0的Windows應用程序設計

上位機部分通過Visual C++6．0程序?qū)崿F(xiàn)與嵌入式硬件部分的USB通信。測試過程中，先將USB2．0固件程序下載到AT91SAM7X中，插上USB數(shù)據(jù)線，根據(jù)提示添加相應的驅(qū)動程序后直接運行設計好的Visual C++6．0程序。測試結(jié)果如圖4所示。

位機程序運行過程中首先檢查設備的連接情況，確認成功連接后開始接收USB2．0設備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。此處為循環(huán)10次的0～9的數(shù)字，如圖4所示，數(shù)據(jù)已經(jīng)成功傳輸?shù)搅松衔粰C端。

結(jié)語

本文設計了基于AT91SAMTX的多路USB2．0數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以AT91SAM7X芯片為核心實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信號的調(diào)理變換、采集和向上位機的傳輸。由于AT91SAM7X內(nèi)置了ADC模塊和USB2．0設備接口，使得系統(tǒng)設計十分方便；同時由于無需使用大量的外擴芯片，使得硬件成本大幅降低，產(chǎn)品體積更小巧，穩(wěn)定性方面也比外擴芯片的方式有較大幅度的提升。

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