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[導(dǎo)讀]隨著SoC技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用單芯片滿足應(yīng)用中的各種需求已經(jīng)成為一種趨勢。將更多設(shè)計中必需的通用外設(shè)集成到芯片內(nèi)部,不但可以降低成本,而且可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文給出一種基于AT91SAM7X的單芯片多路USB2.O數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的解決方案。芯片本身集成USB2.O接口和8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,外部標(biāo)準(zhǔn)的一5~+5 V信號可以直接接入本系統(tǒng)進行采集,達到了降低成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

目前工業(yè)和醫(yī)療上使用的USB設(shè)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(fù)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(shè)計不但成本大幅提高,而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)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(shè)備接口,單芯片即可完成設(shè)計任務(wù),避免了復(fù)雜的接口電路設(shè)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(luò)化實時嵌入式系統(tǒng)而設(shè)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(shè)計
2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖
   
本文設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?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(shè)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(shè)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(fù)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(shè)備控制器,USB設(shè)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(shè)備自動檢測掛起與恢復(fù),通過中斷來停止處理器。同時,為了配合USB設(shè)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(shè)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(fù)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(shè)計中采用多點方式進行A/D轉(zhuǎn)換,ADVREF接3.O V的基準(zhǔn)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(dāng)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(guān)的配置與模塊編程。先將與模/數(shù)轉(zhuǎn)換相關(guān)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(fù)信號可選,允許在系統(tǒng)模式下喚醒USB2.O器件端口外設(shè),然后主機將通知請求恢復(fù)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(shè)備插入時上位機才檢測設(shè)備,并提示添加相應(yīng)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(shè)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(dǎo)致整個調(diào)試過程的失敗。
3.3 USB2.0的Windows應(yīng)用程序設(shè)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(yīng)的驅(qū)動程序后直接運行設(shè)計好的Visual C++6.0程序。測試結(jié)果如圖4所示。

    上位機程序運行過程中首先檢查設(shè)備的連接情況,確認(rèn)成功連接后開始接收USB2.0設(shè)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(shè)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(shè)備接口,使得系統(tǒng)設(shè)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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