嵌入式系統(tǒng)USB接口的虛擬示波器設(shè)計

虛擬示波器是將計算機強大的計算處理能力和一般硬件儀器的信號采集和控制能力結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)一般示波器所不能實現(xiàn)的功能和友好的界面，彌補了傳統(tǒng)示波器功能單一、體積龐大、攜帶不便、價格昂貴的不足。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展 ,對虛擬儀器的智能化和小型化的要求越來越高。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展使得基于嵌入式微處理器和實時操作系統(tǒng)的嵌入式虛擬儀器能夠滿足惡劣工作環(huán)境下的便攜虛擬儀器的需要。同時，基于USB總線的儀器設(shè)備克服了現(xiàn)有PC總線虛擬儀器的不足，可滿足自動化工業(yè)測量的要求，特別適合現(xiàn)場信號的測試。

常用的虛擬儀器多采用PCI或ISA插槽，然而采集卡的數(shù)量一般有限，因此在搭建系統(tǒng)的時候，只能指定特定的計算機或嵌入專門的采集卡，但有些設(shè)備根本就不支持PCI或ISA總線，這種內(nèi)置形式很容易受到PC機箱內(nèi)高頻干擾的影響，降低系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性。如果能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)做成外置式，不僅能夠提高系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性，還能增強系統(tǒng)的靈活性，同時還有利于系統(tǒng)的維護。

USB接口是實現(xiàn)虛擬儀器的一種更方便、更有效、更靈活的總線通訊式。USB總線是新一代總線技術(shù)，使PC機配置新的硬件設(shè)備不用在打開機蓋，且支持熱插拔技術(shù)，給使用者以極大的方便。USB總線具有傳輸速率高、支持異步和等時傳輸特點，并且可同時掛接127個獨立的USB設(shè)備，適合于外登式中高速、高精度采樣系統(tǒng)。USB技術(shù)是非贏利性的規(guī)范，已得到了廣泛工業(yè)支持。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計

嵌入式處理器是由C8051F020單片機和USB總線芯片CH375組成。C8051F020單片機作為系統(tǒng)的CPU擔任著邏輯控制、數(shù)據(jù)采集和存儲管理的工作，接收測試分析對象上傳的數(shù)據(jù)源信號，通過信號調(diào)理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等控制功能實時采集數(shù)據(jù)，由USB總線芯片CH375作為與上位機通信的接口將數(shù)據(jù)傳送給上位機監(jiān)控模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

C8051F系列單片機是完全集成混合信號的系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的控制器內(nèi)核，并與MCS-51指令集兼容；片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F單片機采用流水線結(jié)構(gòu)，機器周期由標準的12個系統(tǒng)時鐘降為1個系統(tǒng)時鐘，處理能力大大提高，峰值性能可 達25M IPS.C8051F單片機是能真正獨立工作的片上系統(tǒng)(SoC)。每個MCU都能有效地管理模擬外設(shè)和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個或全部外設(shè)節(jié)省功耗。Flash存儲器還具有片上重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。片內(nèi)JTAG調(diào)試支持觀察、修改儲存器和寄存器，支持斷點、單步、運行、停機命令。調(diào)試時所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都能全功能運行。

C8051F最突出的改進是引入了數(shù)字交叉開關(guān)。這是一個大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O 引腳。這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合，可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的計數(shù)器 /定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動輸入及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號配置在端口I/O引腳，這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。

USB模塊CH375是一個USB總線的通用設(shè)備接口芯片，無需編寫驅(qū)動程序，內(nèi)置有USB通訊中的底層協(xié)議，完全滿足USB1.1標準。該模塊具有8位數(shù)據(jù)總線(D0～D7)、地址輸入(A0)、讀(RDJHJ)、寫(WRJHJ)、片選控制線(CSJHJ)，以及中斷輸出(INTJHJ)等功能，可以方便地掛接到單片機的數(shù)據(jù)總線上。當A0為低電平時選擇數(shù)據(jù)端口，單片機通過8位并口對CH375進行讀寫數(shù)據(jù)；當AO為高電平時選擇命令端口，可以向其寫入命令。

在本地端，單片機對CH375的操作是采用命令加數(shù)據(jù)的I/O 操作方式，任何操作都是先發(fā)命令給CH375，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出。CH375接收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)或者發(fā)送完給上位機的數(shù)據(jù)后，以中斷方式通知單片機。各通道的USB模塊CH375在計算機應(yīng)用層與其本地端單片機之間提供了端對端的連接，統(tǒng)一采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式進行通信，所有的通信都由計算機應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到單片機的應(yīng)答結(jié)束。