基于STM32F103的USB數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

通用串行總線（USB，universalserialbus）由于具有高傳輸速率、即插即用和易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外設(shè)、數(shù)字設(shè)備和儀器儀表等領(lǐng)域。ARM嵌入式處理器因其低廉的成本和較好的性能被廣泛地應(yīng)用于企業(yè)應(yīng)用、汽車系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線技術(shù)等市場(chǎng)領(lǐng)域。將USB與ARM相結(jié)合是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案。

1、USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機(jī)和USB設(shè)備兩部分組成，如圖1所示。本系統(tǒng)中，PC作為USB主機(jī)，USB采集模塊作為USB設(shè)備，通過(guò)USB接口與主機(jī)相連。模塊與主機(jī)連接之后，主機(jī)能夠正確識(shí)別設(shè)備并將設(shè)備初始化（枚舉）。設(shè)備初始化完畢后，主機(jī)向采集模塊發(fā)送采集命令和任務(wù)參數(shù)。采集模塊正確接收命令后將命令解析并執(zhí)行，然后通過(guò)USB接口將采集到的數(shù)據(jù)回傳到主機(jī)上。

從層次上劃分，USB系統(tǒng)的軟、硬件資源可劃分為3個(gè)層次：總線接口層、設(shè)備層及功能層。接口層涉及的是具體的物理層，主要實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)和數(shù)據(jù)包的交互，它包括物理鏈接、電信號(hào)環(huán)境和包傳輸機(jī)制;設(shè)備層主要提供USB基本協(xié)議棧，執(zhí)行通用的USB的各種操作和請(qǐng)求命令，從邏輯上講就是USB系統(tǒng)軟件與USB邏輯設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換;功能層提供每個(gè)USB設(shè)備所需的特定功能，包括客戶應(yīng)用軟件和設(shè)備功能塊，它們之間有直接的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系說(shuō)明在邏輯上客戶應(yīng)用軟件只需考慮如何實(shí)現(xiàn)具體設(shè)備功能即可。USB的層次結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖1 ?USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中選用集成度高的器件，不僅開(kāi)發(fā)方便，而且所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)的性能及其可靠性也較高。另一方面，由于USB接口設(shè)備是采用總線供電的，考慮到總線輸出功率有限，盡量采用集成度高的器件有利于降低USB總線的負(fù)荷。但選用集成度高的器件及其開(kāi)發(fā)工具會(huì)導(dǎo)致成本的提高，所以要綜合各種因素統(tǒng)籌考慮。

圖2 ?USB系統(tǒng)的層次對(duì)應(yīng)關(guān)系

當(dāng)前，USB的開(kāi)發(fā)方法主要有兩種：一種采用具有USB接口的MCU，另一種采用普通MCU和USB通信芯片。后者是目前被廣泛采用的方法，技術(shù)相對(duì)成熟，開(kāi)發(fā)成本較低。由于STM32ARM本身自帶A/D轉(zhuǎn)換器和USB控制器，僅需一片ARM即可完成采集與傳輸?shù)墓δ?，因此無(wú)需再外加USB通信芯片，但是調(diào)試的成本較大。