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低軾耗數據采集系統的USB接口設計
摘要：介紹低功非法收入數據采集系統的USB通信接口設計方法。該設計以超低功耗單片機MSP430F13X為主控制芯片，為主控制芯片，連接Cygnal公司的UART轉USB芯片CP2101，實(shí)現低功耗數據采集系統的USB接口設計。在IAR Embedded Workbench集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和VC 環(huán)境中，編輯單片機與主機的通信協(xié)議。該設計具有超低功耗、高集成度和設計簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，適于便攜式電子設備的開(kāi)發(fā)應用。引言
實(shí)現系統運行的最小功耗是現代電子系統的普通取向，也是綠色電子的基本要求。采有最小功耗設計方法既能減少電子設備的使用功耗，又能減少備用狀態(tài)下的功率消耗。在節省能源的同時(shí)還有利于減少電磁污染，有利于電子系統向便攜式方向發(fā)展，有助于提高系統的可靠性。
現代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數據采集的要求日益提高。在許多場(chǎng)合要求數據采集系統向便攜化方向發(fā)展，要求系統具有體積小、功耗低、傳輸速率快、使用方便靈活等特點(diǎn)。在數據采集系統中，如何節省電能以使系統工作時(shí)間更長(cháng)，如何通信才能使系統數據傳輸速度更快，已經(jīng)成為系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須加以考慮的主要內容。
微控制器MSP430的超低功耗技術(shù)在眾多單片機中獨樹(shù)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的主控制器，實(shí)現數據采集和Flash存儲等功能。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、維護方便等優(yōu)點(diǎn)；因此在通信設計時(shí)，結合UART轉USB芯片CP2101以實(shí)現USB接口通信。上述設計既利用了MSP430的超低功耗特性，又利用了CP2101設計USB接口的簡(jiǎn)便性，設計得到的數據采集系統可以實(shí)現便攜化、低功耗、使用方便等目標。
1 MSP430數據采集系統的USB接口設計
1．1 采信系統簡(jiǎn)介
本系統實(shí)現多路數據的采集、Flash存儲及USB通信等功能。單片機系統主要完成信息采集、A/D轉換、對信號進(jìn)行放大濾波處理、數據通信、Flash存儲等；實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄采集數據的時(shí)間；CP2101實(shí)現USB接口，并把單片機采集到的信號傳給微機；微機完成數據接收、存入數據庫、數據處理、計算、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。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)際應用中，尤其是電池供電的便攜式設備中表現尤為突出。在系統初始化后進(jìn)入待機模式，當有允許的中斷請求時(shí)，CPU將在6μ的時(shí)間內被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)模式，執行中斷服務(wù)程序。執行完畢，在RETI指令之后，系統返回到中斷前的狀態(tài)，繼續低功耗模式。
本設計采用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轉換、PWM功能定時(shí)器、斜邊A/D轉換、片內USART、看門(mén)狗定時(shí)器、片內數控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口、大容量的片內RAM和ROM以及Flash存儲器。其中Flash存儲器可以實(shí)現掉電保護和軟件升級。
1．3 USB接口芯片選型
通用串行總線(xiàn)USB是由Intel等廠(chǎng)商制定的連接計算機與具有USB接口的多種外設之間通信的串行總線(xiàn)。傳統上，USB接口的開(kāi)發(fā)較為復雜。在同其它USB接口芯片相比較之后，本設計選擇了無(wú)需外部元件的UART轉USB芯片CP2101。選擇這種接口芯片，可使USB通信接口設計變得十分容易。與同類(lèi)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。片內集成512字節EEOROM（用于存儲廠(chǎng)家ID等數據），片內集成收發(fā)器、無(wú)需外部電阻；片內集成時(shí)鐘，無(wú)需外部晶體。
③低成本，可實(shí)現USB轉串口的解決方案。CP2101的USB功能無(wú)需外部元件，而大多數競爭者的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(jiǎn)化的外圍電路，無(wú)成本驅動(dòng)支持使得CP2101在成本上的優(yōu)勢遠超過(guò)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掛起和恢復信號，此功能便于CP2101器件以及外部電路的電源管理。當在總線(xiàn)上檢測到掛起信號時(shí)，CP2101將進(jìn)入掛起模式，可以節省電能。在進(jìn)入掛起模式時(shí)，CP2101會(huì )發(fā)出SUSPEND與SUSPEND信號。為了避免SUSPEND與SUSPEND在復位期間處于高電平，使用10kΩ的下拉電阻確保SUSPEND在復位期間處于低電平。
CP2101的USB功能控制器管理USB和UART間所有的數據傳輸，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，包括控制和握手信號。CP2101的VBUS與VREGIN引腳必須始終連到USB的VBUS信號上。在VREGIN的輸入端加去耦電容（1μF與0.1μF并聯(lián)）。CP2101與單片機接口是標準UART電平，與計算的USB端口連接是USB標準電路，因此，無(wú)論與3V還是5V供電的單片機連接都不需要電平轉換。
3 USB通信接口的軟件程序設計
USB接口程序設計包括三部分：?jiǎn)纹瑱C程序開(kāi)發(fā)、USB設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、主機應用程序開(kāi)發(fā)。三者互相配置才能完成可靠、快速的數據傳輸。其中USB設備驅動(dòng)程序Cygnal公司已經(jīng)提供。這里所要編寫(xiě)的是剩下的兩部分。一部分為單片
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