基于USB2.0的同步高速数据采集器的设计
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作者: 林植平 倪 瑛
[摘 要]本文首先介绍了数据采集器的基本概念、作用和分类。通过对数据采集器中重要芯片的介绍,引出了基于USB2.0的便携式数据采集器的硬件和软件设计思路。最后描述了便携式数据采集器的发展情景。
[关键词]数据采集 自动识别 条码 数据终端
[中图分类号]F[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0016-01
1 概述
数据采集器是一种具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备。?数据采集器一般分为两种,IC卡数据采集器和条码数据采集器。它们将数据自动识读并自动输入计算机,是以计算机技术和通信技术的发展为基础的综合性技术。
根据数据采集器的使用方式不同,大体上可分为两类:在线式数据采集器和便携式数据采集器。在线式数据采集器大部分直接由交流电源供电,一般是非独立使用的,在采集器与计算机之间由电缆联接传输数据,不能脱机使用。便携式数据采集器是集激光扫描、汉字显示、数据采集、数据处理、数据通讯等功能于一体的高科技产品,它相当于一台小型的计算机,将电脑技术与条形码技术完美的结合,利用物品上的条形码作为信息快速采集手段。本文介绍的是一种基于USB2.0的便携式的数据采集器。
2 基于USB2.0的同步高速数据采集器
随着计算机技术的迅速发展,对外部总线速度的要求越来越高。通用串行总线(Universal Serial Bus,即USB总线)凭借其即插即用、热插拔以及较高的传输速率等优点,成为PC机与外设连接的普遍标准。2000年发布的USB2.0版本,其面向高数据率传输的场合,支持480Mbps的传输速度,并向下完全兼容USBl.1协议。在实际应用中,通常会遇到一些突发信号,需要对其进行高速采集,对数据进行高速传输,所以USB2.0标准自然成为首选。
2.1 核心控制器――CY7C68013芯片
本设计以Cypress公司的EZ-USB FX2系列中的CY7C68013芯片作为核心控制器,设计开发了一种基于USB2.0标准的高速同步数据采集器,是目前市面上符合USB2.0标准的USB控制器之一。与其它同类芯片相比,它提供了4KB的FIFO和一个功能十分强大的GPIF(General Programmable Interface)模块。后者相当于一个可编程状态机,正是由于它的存在,使得CY7C68013比其它同类芯片具有强大的互联能力。
2.2 同步高速数据采集芯片――AD7862
AD7862是AD公司推出的高速、低功耗、双极性12位的A/D转换芯片,其中包含了两个独立的快速ADC模块(允许同时采样和转换两路信号)、4路模拟输入信号(VAl、VA2、VBl、VB2)、2.5V的内部电压基准以及一个12位的高速并行接口。芯片正常运行时功耗只有60mW,当使用节电方式时,只有50μW,对于自带电源的USB设备这种低功耗无疑是一种优点。每个ADC都有一个两通道的多路选择器,芯片通过地址信号A0分别选通VAl、VA2或VBl、VB2,当一个CONVST信号到来时,同时转换地址A0选中的两路信号。
3 硬件设计和软件设计
传统的高速数据采集卡一般都采用PCI总线设计,但是笔记本电脑以及大部分便携式设备是没有PCI插槽的。利用USB2.0技术,不仅保证了较高的数据传输率,同时还具有便携和无需外加电源等优点。该硬件的工作原理是:在GPIF模块的控制下,由AD7862对目标进行等间隔采样,然后将采样结果通过GPIF传送到CY7C68013的内部FIFO中缓存;当采集一定量的数据后,CY7C68013自动将数据打包(不需要8051的介入),通过USB总线传输到PC机中进行数据处理。由于有GPIF的硬件支持,CY7C68013中的8051内核只是在很少的时间内,对控制进行了辅助处理,大部分工作由GPIF硬件完成。这样8051还可以与其他外设进行互联等工作。在高速数据采集器上附加了两路RS-232接口,用于将数据和高精度智能测深仪的数据中转到主控计算机上,大大方便了新近推出的笔记本电脑与传统外设之间的联系。主控制器采用AT89C52芯片,利用7032将脉冲信号采样,经过CPU的处理将数据存储到EEPROM芯片中,数据通过红外信道上传到掌上电脑中,对于CY7C68013来说,其配置和固件都是软的,存储在外部的E2PROM中,上电时从I2C总线自动装载到片内RAM中,修改起来十分方便,便于固件升级。由于CY7C68013提供了丰富的I/O口,所以进行功能扩展也是很方便的,例如增加一个GPIB数据口等。
在数据采集器的软件设计中主要用到Small RTOS51多任务操作系统。Small RTOS是一个源代码公开的多任务实时操作系统,Small RTOS 51是其在8051系列处理器上的移植(使用Keil C51)。Small RTOS可以简化那些复杂而且时间要求严格的工程的软件设计工作。
Small RTOS有以下的特点:
(1)公开源代码。只要遵循许可协议,任何人可以免费获得源代码。
(2)可移植。尽量把与CPU相关部分压缩到最小,与CPU无关部分用ANSI C编写。
(3)可固化。Small RTOS为嵌入式系统设计,如果有固化手段,它可以嵌入到产品中成为产品的一部分。
(4)占先式。Small RTOS可以管理17个任务,用户最多可以使用16个任务,每个任务优先级不同。
(5)中断管理。中断可以使正在执行的任务挂起。如果优先级更高的任务被中断唤醒,则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行。中断嵌套层数可达255层。如果需要,可以禁止中断嵌套管理。
(6)RAM需求小。Small RTOS为小RAM系统设计,因而RAM需求小,相应的,系统服务也少。
目前,Small RTOS的最新版本为1.20.0。可以进行任务的建立、删除、动态内存分配等操作。
4 结语
数据采集器提供了快速、准确地进行数据采集输入的有效手段,解决了由于计算机数据人工输入速度慢、错误率高等造成的“瓶颈”难题。数据采集器广泛运用于订货、销售、盘点和库存管理、物流管理以及企业信息化管理等方面。目前,已经成功地将无线传输技术应用到便携式数据采集器中。无线数据采集器则将普通便携式数据采集器的性能进一步的扩展。这种无线数据采集器,可以把现场采集到的数据实时传输给计算机。相比普通便携式数据采集器又更进一步的提高了操作员的工作效率,使数据从原来的本机校验、保存转变为远程控制,实时传输。随着电子技术的日新月异,便携式数据采集器也处在不断更新的阶段中,它将不断向小型化、微型化、智能化方向发展,为人们的生活和工作带来更多的便利。
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