AVR軟USB接口在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用

1、avr軟usb接口在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用【摘要】利用avr單片機(jī)atmega8軟usb虛擬rs232接口技術(shù)，通過單 片機(jī)內(nèi)置a/d轉(zhuǎn)換器對模擬量數(shù)據(jù)采集，取代以rs232標(biāo)準(zhǔn)接口模擬量數(shù)據(jù)采 集器。利用現(xiàn)有軟件資源，實(shí)現(xiàn)usb軟接口多點(diǎn)模擬量數(shù)據(jù)采集功能。碩件電 路簡單、性能穩(wěn)定可靠。解決了傳統(tǒng)的rs232接口數(shù)據(jù)采集器諸多問題。在設(shè) 計(jì)avr軟usb接口 |古|件（atmega8單片機(jī)程序）時(shí),usb接口參數(shù)配置按usb-isp （同樣是avr軟usb虛擬rs232接口）卜載線設(shè)置；并在pc機(jī)系統(tǒng)中安裝其 虛擬串驅(qū)動程序。能支持pc機(jī)win7和xp等操作系統(tǒng)。【關(guān)鍵詞】usb；接口； a/d

2、轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)采集1 引言在電力生產(chǎn)和電氣測試工作中經(jīng)常需要用便攜式pc機(jī)通過接口采集和處理 數(shù)據(jù)。常用的帶rs232串口的數(shù)據(jù)采集器，不允許帶電（熱）拔插，使用很不 方便。而且現(xiàn)在大部分的pc機(jī)不帶rs232接口，尤其是便攜式機(jī)。取而代之的 是usb接口。目前avr單片機(jī)usb軟接口技術(shù)應(yīng)用的很普遍，最旱是atmel 公司在avr309 software universal serial bus一文中，詳細(xì)介紹了使用avr 單片機(jī)的普通io 口來實(shí)現(xiàn)usb接口功能；同時(shí)介紹了 atmegas程序（固件） 的編程方法，并提供全部匯編程序源代碼。在源碼的基礎(chǔ)上，筆者通過參閱和分 析不同作者各種版本的

3、usb軟接口|占i件（原程序）進(jìn)行優(yōu)化組合，更改和刪除 一部份程序后，性能有很大的提高。cpu占用率比源碼程序低得多。avr單片 機(jī)atmegas具備avr高檔單片機(jī)性能和特點(diǎn)，而價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)。其 內(nèi)置多路a/d轉(zhuǎn)換器滿足模擬數(shù)據(jù)采集需要。2. atmega8單片機(jī)atmega8是atmel公司avr系列單片機(jī)。采用低功耗cmos工藝生產(chǎn)的 基于avr risc結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)周期。內(nèi)有10 位精度的逐次逼近型adco adc與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來 自端口 c的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0v （gnd）為基準(zhǔn)。 adc包括一個(gè)

4、采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到adc的電壓保持恒定。 adc ftl avcc引腳單獨(dú)提供電源。avcc與vcc之間的偏差不能超過±0.3v。 器件之內(nèi)有標(biāo)稱值為2.56v和avcc基準(zhǔn)電壓?；鶞?zhǔn)電壓可以通過在aref引 腳上加一個(gè)電容進(jìn)行解耦，以更好地抑制噪聲。avr單片機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)可編程特 性，無需購買昂貴的仿真器和編程器也可進(jìn)行單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)； 同時(shí)也為單片機(jī)的初學(xué)者提供了非常方便和簡捷的學(xué)習(xí)開發(fā)環(huán)境。而且在省電性 能、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮得更加周全和完善。atmegas單片 機(jī)與其它單片機(jī)比較而言，簡便易用、費(fèi)用低，相對進(jìn)入avr系列單片機(jī)開

5、發(fā) 的門檻也低，軟件資源豐富，程序容易開發(fā)。由于atmegas單片機(jī)是常用芯片, 本文對其特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳說明等不做介紹。3. 硬件電路基于atmega8的usb軟接口數(shù)據(jù)采集碩件電路非常簡單。以atmega8單 片機(jī)為核心，加上少量的外部元件構(gòu)成（如圖1所示）。圖1 usb軟接i i數(shù)據(jù)采集電路圖圖1中usb數(shù)據(jù)線d上的上拉電阻r3用于主機(jī)識別低速usb設(shè)備（usb 規(guī)范屮定義）o 12mhz晶體和兩個(gè)20p的電容組成單-片機(jī)運(yùn)行所必須的時(shí)鐘（usb 一個(gè)數(shù)據(jù)位有8個(gè)時(shí)鐘周期）。d+連接到pd2,同時(shí)也是into引腳。d連接到pd3o電阻rl、r2起到限 流和保護(hù)作用，防止在意外情況下?lián)p

6、壞計(jì)算機(jī)的usb端口或單片機(jī)的端口。單 片機(jī)所需的電源vcc由usb 口輸出5v電源直接供電。因?yàn)樵趗sb規(guī)范屮規(guī)定 數(shù)據(jù)線d+和d上的電平范圍是3.0v至3.6v, d1和d2是3.6v穩(wěn)壓二極管， 用于限制數(shù)據(jù)線上的電平。圖中l(wèi)ed1和r4為電源指示電路。ledal-leda6. ral-ra6為a/d傳換通道指示電路。li、c3、c4按atmega8產(chǎn)品說明手冊a/d 轉(zhuǎn)換精度要求設(shè)置。rilri6、cil-ci6為模擬信號采樣輸入設(shè)置，其電路和參數(shù) 根據(jù)不同輸入要求而改變。圖屮j2是模擬信號采樣輸入端，可接入單端0-2.56v. 0-5v輸入模擬信號。測量交流電參數(shù)需要對交流屯信號處理

7、后輸入；如要測量 差動模擬信號需要改變輸入采樣電路。并將單片機(jī)atmegas改用atmegal6, atmegal6的a/d轉(zhuǎn)換可單端輸入也可差分輸入；述冇2路可選增益為10倍與 200倍的差分輸入通道；就是多了兒個(gè)引腳，電路圖有所變化；單片機(jī)軟件可兼 容和移植，并增加幾條有關(guān)a/d轉(zhuǎn)換差動輸入和數(shù)據(jù)處理的指令。如需要請參 閱atmegal6產(chǎn)品說明手冊（atmel公司網(wǎng)站可下載）。4. atmega8單片機(jī)程序（固件）木程序基于單片機(jī)atmegas以純軟件完成usb協(xié)議接收、發(fā)送和解碼，以 實(shí)現(xiàn)usb接口數(shù)據(jù)通信功能；通過指令操作單片機(jī)內(nèi)置a/d轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù) 據(jù)采集功能。usb協(xié)議定義低

8、速usb設(shè)備通信速率是1.5m位/秒。如單片機(jī)使 用12mhz的時(shí)鐘頻率，主頻是1.5mhz的8倍。也就是說，單片機(jī)每8個(gè)周期 就要精確完成一個(gè)（對普通10端口）數(shù)據(jù)位的采集或發(fā)送。這種情況對單片機(jī)的時(shí)序要求嚴(yán)格，為此單片機(jī)的軟件核心部分代碼必須由 匯編語言編寫。atmegas芯片是atmel （愛特梅爾）公司的avr系列單片機(jī)。 atmel公司網(wǎng)站捉供avr studio集成環(huán)境（ide）開發(fā)軟件免費(fèi)下載。安裝后 直接支持匯編語言。本固件程序以此開發(fā)軟件匯編編譯并燒寫（燒寫用usbisp 下載線）。程序以模塊化結(jié)構(gòu)編寫，為了各模塊相互運(yùn)行協(xié)調(diào)和高效，usb接i做如 下設(shè)置約定。狀態(tài)代碼二1：

9、表示收到控制端口 setup令牌包（屮斷內(nèi)收到令牌包后設(shè)置）狀態(tài)代碼=2：表示收到控制端口 in包（屮斷內(nèi)收到令牌包后設(shè)置）狀態(tài)代 碼=3：表示收到控制端口 out包（中斷內(nèi)收到令牌包后設(shè)置）狀態(tài)代碼二5：表示收到數(shù)據(jù)端口 out包（中斷內(nèi)收到令牌包后設(shè)置）狀態(tài)代碼=6：表示收更改地址（主循環(huán)內(nèi)設(shè)置）操作標(biāo)志二2：表示收到控制端口 setup包數(shù)據(jù)（屮斷內(nèi)收到數(shù)據(jù)包后設(shè)置）操作標(biāo)志=3：表示發(fā)送完控制端口 in數(shù)據(jù)包（中斷內(nèi)發(fā)送完in數(shù)據(jù)包后 設(shè)置）操作標(biāo)志二4：表示準(zhǔn)備好控制端口 in數(shù)據(jù)包（主循環(huán)內(nèi)設(shè)置）端i i號=0：控制端口端口號=1：數(shù)據(jù)in端口端口號二2：數(shù)據(jù)out端口端口號二3：

10、串口狀態(tài)in端口（usb虛擬rs232接口，cdc類規(guī)范要求）4主程序程序從系統(tǒng)復(fù)位開始初始化系統(tǒng)（設(shè)置堆棧地址、存儲器及寄存器初始化、 a/d傳換器初始化）和設(shè)置軟usb接口初始值后，進(jìn)入主程序不斷檢測usb復(fù) 位信號（兩條數(shù)據(jù)線保持10-20ms低電平）。如果出現(xiàn)復(fù)位信號就重新進(jìn)行軟usb 接口初始化設(shè)置；無usb復(fù)位信號就不斷檢查usb接口狀態(tài)代碼和操作標(biāo)志， 并調(diào)用相應(yīng)的程序處理。之后是對a/d轉(zhuǎn)換器操作和數(shù)據(jù)加工及數(shù)據(jù)傳送處理。 主程序是閉合循環(huán)體，主程序流程如圖2所示。圖2主程序流程圖主程序在循環(huán)運(yùn)行中主要操作如下：當(dāng)出現(xiàn)usb接口操作標(biāo)志=2,表示收到usb接口 setup數(shù)據(jù)包

11、，是usb 設(shè)備描述符請求。程序檢查請求類型：如是usb標(biāo)準(zhǔn)請求，準(zhǔn)備usb設(shè)備請求參數(shù)配置枚舉 數(shù)據(jù)回答（有關(guān)回答參數(shù)配置數(shù)據(jù)組成和結(jié)構(gòu)按usb協(xié)議規(guī)范耍求，請參閱 usb2.0規(guī)范）。如是設(shè)備商請求，準(zhǔn)備冇關(guān)cdc類參數(shù)配置請求內(nèi)容回答（usb 虛擬rs232接口，請參閱usb通信設(shè)備類規(guī)范）。然后設(shè)置操作標(biāo)志=4,表示 準(zhǔn)備好控制端口 in回應(yīng)包。再返冋主程序循環(huán)體。當(dāng)出現(xiàn)usb操作標(biāo)志=3,表示耍繼續(xù)準(zhǔn)備上次未準(zhǔn)備完的控制端口 in數(shù)據(jù) 冋應(yīng)包。然后設(shè)置操作標(biāo)志=4,表示準(zhǔn)備好控制端口 in冋應(yīng)包。再返冋主程序 循環(huán)體。主程序通過讀取usb接i i數(shù)據(jù)端i i的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)（在中斷程序中

12、接收的數(shù) 據(jù)端口包out數(shù)據(jù)）進(jìn)行分析，按主機(jī)a/d數(shù)據(jù)采集軟件接口通信|辦議（命令 格式）規(guī)定，執(zhí)行相應(yīng)的a/d操作指令。如選擇a/d通道和選擇基準(zhǔn)電壓等操 作。相對應(yīng)的啟動a/d轉(zhuǎn)換、檢查a/d轉(zhuǎn)換是否完成、讀取a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等操 作指令配合執(zhí)行。主程序完成a/d數(shù)據(jù)采集處理后按主機(jī)軟件數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式組成數(shù)據(jù)包 后，再按usb規(guī)范（有效載荷）數(shù)據(jù)包最前一個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)包標(biāo)識碼，接著是 1到8字節(jié)數(shù)據(jù)（口前軟usb最多只能8字節(jié)數(shù)據(jù)），最后增加兩字節(jié)的crc 校驗(yàn)碼（crc校驗(yàn)碼用查表法獲取，減少占用cpu時(shí)間）。此數(shù)據(jù)包不含nrzi 編碼和填充位的內(nèi)容（nrzi編碼和填充位在中斷程序發(fā)送數(shù)

13、據(jù)位時(shí)同步完成）, 是4到11整字節(jié)的數(shù)據(jù)包。裝入usb數(shù)據(jù)端點(diǎn)in數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)，由屮斷程序 發(fā)送到主機(jī)。4.2中斷（into）程序本程序（固件）設(shè)置1個(gè)（into）屮斷源，屮斷程序是固件的主要部分。 程序功能是usb接口數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。程序處理流程如圖3所示。圖3中斷程序處理流程圖程序首先由usb總線從空閑態(tài)轉(zhuǎn)到k態(tài)時(shí)，usb主機(jī)開始發(fā)送同步字節(jié)， into引腳電平上升沿觸發(fā)外部中斷0 （into）, cpu進(jìn)入中斷程序，檢查并等待 同步字節(jié)（nrzi碼）結(jié)束信號，開始接收數(shù)據(jù)位。在接收過程屮對nrzi編碼 進(jìn)行還原和移去填充位（在8個(gè)周期內(nèi)完成nrzi數(shù)據(jù)流位解碼和查找填充位并 移去）后送

14、緩沖區(qū)保存；同時(shí)檢測包eop結(jié)束信號單端零（seo）o接收完成一 個(gè)數(shù)據(jù)包（不含同步字節(jié)），程序?qū)?shù)據(jù)包長度少于3字節(jié)，丟棄，退出屮斷； 2度大于3字節(jié)的以收到（有效載荷）數(shù)據(jù)包處理。長度等于3字節(jié)的可能是令 牌包（第1字節(jié)令牌包類型、第2字節(jié)低7位是usb地址、第2字節(jié)最高1位 和第3字節(jié)低3位是端口號、第3字節(jié)高5位是令牌包c(diǎn)rc校驗(yàn)碼）；檢查地址 確認(rèn)是木設(shè)備后，分析令牌包類型。1）令牌包處理：第1字節(jié)=0x2d,是setup令牌包，設(shè)狀態(tài)代碼=1 （表示接下收到數(shù)據(jù)包 按setup數(shù)據(jù)包處理），退出中斷。笫1字節(jié)=0xel,是out令牌包，檢查端口號。端口號=0是控制端口 out令牌包，設(shè)置狀態(tài)代碼=3 （表示接下收到數(shù)據(jù)包 按控制端口 out數(shù)據(jù)包處理），退出屮斷。端口號不等0,是數(shù)據(jù)端口 out令牌包。設(shè)置狀態(tài)代碼=5 （表示接下收到 數(shù)據(jù)包按數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)包處理，也就是前介紹的主機(jī)a/d數(shù)據(jù)采集命令數(shù)據(jù)）， 退出中斷。笫1字節(jié)=0x69,是in令牌包，檢查端口號。端口號二0,是控制端口 in令牌包，檢查操作標(biāo)志。如操作標(biāo)志不等4,表示未準(zhǔn)備好控制端口 in數(shù)據(jù)包，發(fā)送nak,退出屮 斷。如操作標(biāo)志=4,表示已準(zhǔn)備好控制端口 in數(shù)據(jù)包，發(fā)送控制端口 in數(shù)據(jù) 包。檢查狀態(tài)代碼是否等于地址變動代碼，是轉(zhuǎn)改變usb地址處理后，中斷返 回。usb地