摘要：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 ?C/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)。本文通過構(gòu)建嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境、移植 ?C/OS-Ⅱ、編寫固化到 ATmega16單片機(jī)的引導(dǎo)程序 (即固件程序)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)碼顯示以及與 PC機(jī)通信等設(shè)備端任務(wù)。

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 ?C/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 ?C/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(cè)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(cè)量溫度了。
在本系統(tǒng)中，測(cè)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(cè)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。

3.4 LED顯示部分設(shè)計(jì)

   如圖 4所示，系統(tǒng)的顯示是使用 MAX7219實(shí)現(xiàn)的 8位穩(wěn)定靜態(tài)顯示，MAX7219是串行共陰極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示驅(qū)動(dòng)芯片，僅使用 3線串行接口傳送數(shù)據(jù)，可直接與單片機(jī)接口，用戶還可以方便地修改其內(nèi)部參數(shù)以實(shí)現(xiàn)多位 LED顯示，因此可以方便地使用單片機(jī)的串口送出顯示數(shù)據(jù)，并且其占用的時(shí)間少，方便編程及對(duì)信號(hào)的檢測(cè)。

4 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件開發(fā)

   USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，而且程序結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，為了提高開發(fā)率，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低開發(fā)和維護(hù)成本，就需要一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)發(fā)和運(yùn)行的平臺(tái)。?C/OS-Ⅱ作為一個(gè)源碼公開的免費(fèi)型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其穩(wěn)定性好、可靠性高，而且 ?C/OS-Ⅱ還具有移植性好、可固化、可裁剪等特點(diǎn)，非常適合作為 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。

   USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件由三個(gè)部分組成：USB設(shè)備固件程序、主機(jī) PC上的 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和主機(jī)上的客戶應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件的組成及各部分之間的關(guān)系如圖 5所示。

    固件程序按功能可以劃分為 USB通信程序、A/D轉(zhuǎn)換程序和 LED顯示程序，其中 USB通信程序是整個(gè)固件程序的主要部分，其功能是實(shí)現(xiàn) USB設(shè)備枚舉和數(shù)據(jù)傳輸。USB設(shè)備枚舉是 USB設(shè)備插上之后，主機(jī)與設(shè)備交換信息并自動(dòng)配置的過程，枚舉成功后， USB接口與主機(jī)就可以進(jìn)行通信了。

   設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接設(shè)備和主機(jī)應(yīng)用程序的紐帶，它向上提供應(yīng)用程序的訪問接口 (API)，向下則實(shí)現(xiàn)對(duì)具體設(shè)備的訪問和管理功能。驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備硬件和上層用戶程序密切相關(guān)，在 USB體系的中間起到信息轉(zhuǎn)換和傳遞的中介作用。在開發(fā) USB設(shè)備時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，直接影響到整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的性能。

    本系統(tǒng)采用 Driverworks開發(fā) WDM型 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)用程序的主要功能是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中查找設(shè)備，與設(shè)備交換數(shù)據(jù)，并將設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序的通信是通過訪問應(yīng)用程序接口 (API)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，所以應(yīng)用程序的開發(fā)必須在能訪問 API函數(shù)的平臺(tái)上進(jìn)行。 Microsoft公司提供的visualC++6.0是一種功能強(qiáng)大的支持 API函數(shù)的編程工具，本設(shè)計(jì)的主機(jī)應(yīng)用程序就是以VC為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的，其功能主要包括查找 USB設(shè)備，與 USB設(shè)備交換數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)曲線。

5 總結(jié)

   本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于完成的基于 USB接口和 ?C/OS-Ⅱ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率可達(dá) 15KSPS(每秒采樣次數(shù))，數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤恢復(fù)率大于 99%，即插即用、使用方便且具有很低的開發(fā)成本，可以為數(shù)據(jù)采集特別是電池供電移動(dòng)或手持采集設(shè)備提供一種有效的解決方案和方便使用、高效傳輸?shù)脑O(shè)備形式；其次，而在 PC端引入微軟新近的 WDM驅(qū)動(dòng)程序模型，在其基礎(chǔ)上開發(fā)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可以成功地對(duì)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別、配置，并提供了同設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序接口，基于這些接口，編制了具有查詢?cè)O(shè)備、與設(shè)備交換數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)繪制成動(dòng)態(tài)曲線等功能的 PC端應(yīng)用程序。