低軾耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計(jì)

低軾耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計(jì)

摘要：介紹低功非法收入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB通信接口設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)以超低功耗單片機(jī)MSP430F13X為主控制芯片，為主控制芯片，連接Cygnal公司的UART轉(zhuǎn)USB芯片CP2101，實(shí)現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計(jì)。在IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境和VC 環(huán)境中，編輯單片機(jī)與主機(jī)的通信協(xié)議。該設(shè)計(jì)具有超低功耗、高集成度和設(shè)計(jì)簡便等優(yōu)點(diǎn)，適于便攜式電子設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用。

引言

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的最小功耗是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的普通取向，也是綠色電子的基本要求。采有最小功耗設(shè)計(jì)方法既能減少電子設(shè)備的使用功耗，又能減少備用狀態(tài)下的功率消耗。在節(jié)省能源的同時(shí)還有利于減少電磁污染，有利于電子系統(tǒng)向便攜式方向發(fā)展，有助于提高系統(tǒng)的可靠性。

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)采集的要求日益提高。在許多場合要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向便攜化方向發(fā)展，要求系統(tǒng)具有體積小、功耗低、傳輸速率快、使用方便靈活等特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，如何節(jié)省電能以使系統(tǒng)工作時(shí)間更長，如何通信才能使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度更快，已經(jīng)成為系統(tǒng)開發(fā)過程中必須加以考慮的主要內(nèi)容。

微控制器MSP430的超低功耗技術(shù)在眾多單片機(jī)中獨(dú)樹一幟，同時(shí)它具有集成高度等特點(diǎn)，因此，選用該控制器作為系統(tǒng)的主控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和Flash存儲(chǔ)等功能。此外，USB端口與以往的普通端口（串口與并口）相比具有傳輸速度快、功耗低、支持即插即用、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；因此在通信設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合UART轉(zhuǎn)USB芯片CP2101以實(shí)現(xiàn)USB接口通信。上述設(shè)計(jì)既利用了MSP430的超低功耗特性，又利用了CP2101設(shè)計(jì)USB接口的簡便性，設(shè)計(jì)得到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)便攜化、低功耗、使用方便等目標(biāo)。

1 MSP430數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的USB接口設(shè)計(jì)

1．1 采信系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的采集、Flash存儲(chǔ)及USB通信等功能。單片機(jī)系統(tǒng)主要完成信息采集、A/D轉(zhuǎn)換、對信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理、數(shù)據(jù)通信、Flash存儲(chǔ)等；實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄采集數(shù)據(jù)的時(shí)間；CP2101實(shí)現(xiàn)USB接口，并把單片機(jī)采集到的信號(hào)傳給微機(jī)；微機(jī)完成數(shù)據(jù)接收、存入數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、顯示等功能。

1．2 超低功耗MSP430微控制器

MSP430是TI公司近幾年推出的16位系列單片機(jī)。它采用最新的低功耗技術(shù)，工作在1.8～3.6V電壓下，有正常工作模式（AM）和4種低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4）；在電流電壓為3V時(shí)，各種模式的工作電流分別為AM：340μA、LPM1：70μA、LPM2：17μA、LPM3：2μA、LPM4：0.1μA，而且可以方便地在各種工作模式之間切換。它的趕低功耗性在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是電池供電的便攜式設(shè)備中表現(xiàn)尤為突出。在系統(tǒng)初始化后進(jìn)入待機(jī)模式，當(dāng)有允許的中斷請求時(shí)，CPU將在6μ的時(shí)間內(nèi)被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)模式，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。執(zhí)行完畢，在RETI指令之后，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)低功耗模式。

本設(shè)計(jì)采用MSP430F13X微控制器。它具有非常高的集成度，單片集成了多通道12位A/D轉(zhuǎn)換、PWM功能定時(shí)器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時(shí)器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口、大容量的片內(nèi)RAM和ROM以及Flash存儲(chǔ)器。其中Flash存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)和軟件升級。

1．3 USB接口芯片選型

通用串行總線USB是由Intel等廠商制定的連接計(jì)算機(jī)與具有USB接口的多種外設(shè)之間通信的串行總線。傳統(tǒng)上，USB接口的開發(fā)較為復(fù)雜。在同其它USB接口芯片相比較之后，本設(shè)計(jì)選擇了無需外部元件的UART轉(zhuǎn)USB芯片CP2101。選擇這種接口芯片，可使USB通信接口設(shè)計(jì)變得十分容易。與同類產(chǎn)品相比，CP2101具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①具有較小的封裝。CP2101為28腳5mm×5mm MLP封裝。這在PCB上的尺寸就比競爭對手小30%左右。

②高度成度。片內(nèi)集成512字節(jié)EEOROM（用于存儲(chǔ)廠家ID等數(shù)據(jù)），片內(nèi)集成收發(fā)器、無需外部電阻；片內(nèi)集成時(shí)鐘，無需外部晶體。

③低成本，可實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的解決方案。CP2101的USB功能無需外部元件，而大多數(shù)競爭者的USB器件則需要額外的終端晶體管、上拉電阻、晶振和EEPROM。具有競爭力的器件價(jià)格，簡化的外圍電路，無成本驅(qū)動(dòng)支持使得CP2101在成本上的優(yōu)勢遠(yuǎn)超過競爭者的解決方案。

④具有低功耗、高速度的特性，符合USB2.0規(guī)范，適合于所有的UART接口（波特率為300bps～921.6kbps）。工業(yè)級溫度范圍為-40℃～85℃）。

2 USB通信的硬件接口電路

硬件電路如圖1所示。CP2101的SUSPEND與SUSPEND引腳接到MSP430F13X的普通串口上。這兩個(gè)引腳傳送USB掛起和恢復(fù)信號(hào)，此功能便于CP2101器件以及外部電路的電源管理。當(dāng)在總線上檢測到掛起信號(hào)時(shí)，CP2101將進(jìn)入掛起模式，可以節(jié)省電能。在進(jìn)入掛起模式時(shí)，CP2101會(huì)發(fā)出SUSPEND與SUSPEND信號(hào)。為了避免SUSPEND與SUSPEND在復(fù)位期間處于高電平，使用10kΩ的下拉電阻確保SUSPEND在復(fù)位期間處于低電平。

CP2101的USB功能控制器管理USB和UART間所有的數(shù)據(jù)傳輸，以及由USB主控制器發(fā)出的命令請求以及用于控制UART功能的命令等。CP2101的UART接口處理所有的RS232信號(hào)，包括控制和握手信號(hào)。CP2101的VBUS與VREGIN引腳必須始終連到USB的VBUS信號(hào)上。在VREGIN的輸入端加去耦電容（1μF與0.1μF并聯(lián)）。CP2101與單片機(jī)接口是標(biāo)準(zhǔn)UART電平，與計(jì)算的USB端口連接是USB標(biāo)準(zhǔn)電路，因此，無論與3V還是5V供電的單片機(jī)連接都不需要電平轉(zhuǎn)換。

3 USB通信接口的軟件程序設(shè)計(jì)

USB接口程序設(shè)計(jì)包括三部分：單片機(jī)程序開發(fā)、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、主機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)。三者互相配置才能完成可靠、快速的數(shù)據(jù)傳輸。其中USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序Cygnal公司已經(jīng)提供。這里所要編寫的是剩下的兩部分。一部分為單片

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