基于USB数据采集系统设计

3 USB 数据采集系统的硬件设计

本章主要完成USB数据采集系统的硬件电路的设计，硬件电路设计部分主要包括多通道A/D转换电路、USB2.O主控制器(C8051F320)外围电路设计C8051F320与模数转换器AD0809的连接、电源设计部分等。 3.1 多通道A/D转换电路的设计

多通道A/D转换电路是把8个通道的信号进行选择，每次只选中一个通道的信号传送至AD0809中，在此设计中采用的是单片机的3个I/O口，与AD0809的三个地址口(A,B,C)相连，用这三个引脚来控制选择哪一路通道;IN0~IN7共8个数据源与8个通道相连，D0~D7与单片机的I/O口连接，其中74F74给AD0809提供转换脉冲。其电路连接图如3.1所示:

图3.1 多通道A/D转换电路图

3.2 USB2.0 主控芯片的选择及介绍

3.2.1 常用USB2.0控制芯片介绍

随着USB的应用日益广泛，各个开发商也相继推出了各自的符合USB相应协议的USB控制器芯片，尽管各种芯片都是严格遵循USB的相关协议，但不同的商推出的产品还是有着一定的性能和用途差异，各种USB控制器芯片的结构可分成3种:

1)专为USB设计的芯片。这类控制器是为USB应用专门设计的芯片，能够使USB的应用达到最优化。

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2)与现有的芯片兼容。这类控制器芯片与现有的芯片兼容，这样开发者己经熟悉现有的芯片结构和开发指令，因此开发起来会比较容易。最常见的USB控制器都是与8051微处理器兼容。

3)需要外部微处理器接口的芯片。这类USB控制器只处理USB通信，而且必须由外部的微处理器来控制，因此这类控制器需要两个芯片，而其他种类的USB控制器则只需一个芯片(MCU和USB控制器在同一个芯片上)。 3.2.1 USB2.0控制芯片选型及优点分析

根据设计的需要，在此选用的USB控制芯片是silicon的C8051F320芯片。符合USB规范2.0版全速(12Mbps)或低速(1.5Mbps) 集成时钟恢复电路；无需外部晶体支持8个端点1KB USB缓存集成收发器;无需外部电阻,该芯片性价比较高。另外C8051F320提供了设备的“软”解决方案，使得设备可以无限制的配置和升级。开发包提供的硬件和软件己经为开发者做了大量开发工作，开发者只需在特定的地方加入自己的功能相关的代码即可，开发极为方便。 3.2.2 USB控制芯片C8051F320

高速8051微控制器内核: 流水线指令结构；70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期 速度可达25MIPS（时钟频率为25MHz时）扩展的中断系统

存储器: 2304 B内部数据RAM(1K+256+1K USB FIFO)-16KB FLASH；可在系统编程，扇区大小为512字节

数字外设: 25/21个端口I/O；均耐5V电压,大灌电流硬件增强型SPI、增强型UART和SMBus串口4个通用16位计数器/定时器16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有5个捕捉/比较模块使用外部时钟源和 PCA 或定时器的实时时钟方式

时钟源: 内部振荡器:0.25%的精度(时钟恢复被使能时)。支持USB和UART操作 外部振荡器：晶体、RC、C、或外部时钟 可在运行中切换时钟源，适用于节电方式。

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图3.2

图3.3

3.2.3 通用串行总线控制器

通用串行总线控制器（USB）符合USB2.0规范，可以全速或低速工作，集成了收发器和端点FIFO RAM。 共有8个端点： 一个双向控制端点 （端点0） 和三对输入/输出端点 （端点1-3 输入/输出）。 XRAM中有1KB的存储块被专门用作USB FIFO空间。该FIFO空间被分配给端点0-3；端点1-3 的FIFO可以被配置为输入（IN）、输出（OUT）或输入/输出（分割模式）。最大的FIFO大小为512字节（端点3）。USB可以工作在全速或低速方式。 片内4倍时钟乘法器和时钟恢复电路允许使用内部高精度振荡器作为USB时钟源，实现全速和低速通信。外部振荡器也可以与4倍时钟乘法器配合使用来产生USB时钟。CPU时钟源与USB时钟相互独立。

USB收发器符合USB2.0规范，并包含内部匹配和上拉电阻。上拉电阻可以被用软件使能/禁止，可以根据软件选择的速度设置（全速或低速）出现在D+或D-引脚。

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3.2.4 USB控制芯片及其外围电路设计

图3.4 USB控制器原理框图

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图3.5 USB控制器电路图

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3.3 显示模块

显示系统是单片机不可或缺的环节，它为单片机提供了直观的观察环境。单片机显示模块应该能够做到快速简练，并且有语义明确，这对使用单片机具有很关键的作用。本实验系统涉及到两种显示方式，液晶显示和LED数码管显示，这两种显示方法在生活中被广泛的应用，学习这两种显示方法对于单片机系统的开发与设计有很大的意义。 3.3.1 LCD概述