基于ARM处理器的USB数据采集系统

第２５卷第４期　２０１１年１２月　上海工程技术大学学报　Ｖ０１．２５　Ｎｏ．４　Ｄｅｅ．２０１１　ＪＯｕＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＳＣＩＥＮＣＥ　文章编号：１００９—４４４Ｘ（２０１１）０４—０３５８—０４　基于ＡＲＭ处理器的ＵＳＢ数据采集系统　刘炳祥　，程武山　（上海工程技术大学ａ．汽车工程学院；ｂ．机械工程学院，上海２０１６２０）　摘要：介绍了一种基于ＡＲＭ处理器的ＵＳＢ数据采集系统的设计方案，该系统采用了ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核的ＳＴＭ３２Ｆ１０３作为数据采集终端的微处理器．通过ＵＳＢ实现了数据采集终　端与客户端程序间的通讯．经实际测试，整个系统运转正常，最高采样频率为２００　ｋＨＺ，满足了预　期的数据采集控制与数据传输的要求，并具有可靠性高、实时性强、传输速度快等优点．　关键词：ＡＲＭ处理器；数据采集；通用串行总线　中图分类号：ＴＰ　３１６　文献标志码：Ａ　ＵＳＢ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ＬＩＵ　Ｂｉｎｇ—ｘｉａｎｇ　．ＣＨＥＮＧ　Ｗｕ—ｓｈａｎ　（ａ．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｂ．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ＵＳＢ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３　ｃｏｒｅ　ｃｈｉｐ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ＳＴＭ３２Ｆ１　０３　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌ，ｔｈｅ　ｃｏｍ—　ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｔｅｒｍｉｎａ１　ａｎｄ　ｃｌｉｅｎｔ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｗａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＵＳＢ．Ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｏｐｅｒａｔｅ　ｖｅｒｙ　ｗｅｌｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｖａｉｌａｂｌｅｄ　ｉｓ　２００　ｋＨｚ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ，ｈｉｇｈ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＲＭ（Ａｄｖａｎｃｅｄ　ＲＩＳｅ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ）ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　ＢＵＳ）　随着数据采集需求的不断变化，传统的纯硬件　采集器系统在数据处理方面的能力已不能满足需　求．目前数据采集系统大多采用软硬件结合的方　数据采集器核心的首选　．本文介绍一种基于　ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核微控制器ＳＴＭ３２Ｆ１０３的　ＵＳＢ数据采集系统的设计与实现．　式，ＵＳＢ总线凭借即插即用、热插拔和较高的传输　速率等优点，成为ＰＣ机与外设连接的普遍标　准ｌ＿１］．基于ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核的ＳＴＭ３２微控　１　硬件设计　本研究数据采集系统以ＳＴＭ３２Ｆ１０３为处理　制器片上集成了全速ＵＳＢ　２．０接口，提供诸如ＳＰＩ　等多种通信接口，这些特性使ＳＴＭ３２处理器成为　收稿日期　２０１１—０９　器，通过ＭＡＸ１２７０完成Ａ／Ｄ转换　．ＳＴＭ３２微　１４　基金项目　上海市教　委０８５知识创新工程资助项目（Ｊ２０９０６）　作者简介：刘炳祥（１　９８４一），男，在读硕士，研究方向为数据采集、汽车电子．Ｅｍａｉｌ：６３６０６６０＠１６３．ｃｏｒｎ　第４期　刘炳祥，等：基于ＡＲＭ处理器的ＵＳＢ数据采集系统　控制器由ＳＰＩ接口与ＭＡＸ１２７０相连，由ＵＳＢ接　口与ＰＣ主机相连．ＳＴＭ３２微控制器起到连接ＰＣ　的外设．　１．２数据采集芯片ＭＡＸ１２７０　和ＭＡＸ１２７０的作用．ＰＣ通过ＵＳＢ总线下传用户　命令，微控制器通过ＳＰＩ总线与ＭＡＸ１２７０通信，包　括发送命令字和收集采样数据．由于ＭＡＸ１２７０自　身不带采样率控制，所以，必须由ＳＴＭ３２微控制器　的定时器来触发采样操作，从而实现采样率的控　制Ｅ　．ＳＴＭ３２微控制器同时将采样得到的数据通过　ＭＡＸ１２７０为８通道、多量程双极性输入、串　行输出、逐次逼近型１２位ＡＤ转换器．ＭＡＸ１２７０　的８位控制字及其功能如表１所示．最高位　ＳＴＡＲＴ为起始位（高电平），标志控制字的开始．　／ｃｓ为低电平期间，控制字在时钟脉冲ＳＣＬＫ作用　下先高位、后低位通过ＤＩＮ端输入．　表１　ＭＡＸ１２７０的８位控制字格式　Ｔａｂｌｅ　１　８．ｂｉｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｏｒｄ　ｆｏｒｍａｔ　ｏｆ　ＭＡＸ１　２７０　ＵＳＢ总线上传到ＰＣ．系统结构框图如图１所示．　ＳＰＩ思线　Ｍ　ｏＩ　．．．．．．．．．．．．．．一　控制字ＰＣ　ｂｉｔ７　ｂｉｔ６　ｂｉｔ５　ｂｉｔ４　ｂｉｔ３　ｂｉｔ２　ｂｉｔ１　ｂｉｔ０　ＭＡＸ１２７（）　ＳＴＭ３２ＭＣＵ　ＵＳＢ总线　ＵＳＢ　Ｍｏｕｄｌｅ　功能ＳＴＡＲＴ　ＳＥＬ２　ＳＥＬｌ　ＳＥＩ，０　ＲＮＧ　ＢＩＰ　ＰＤ１　ＰＤ０　ＰＤ１ＰＤ０为掉电／时钟模式选择位．ＰＤ１ＰＤ０＝　１０或１１时为省电模式．正常工作时ＭＡＸ１２７０有　图１　系统结构框图　Ｆｉｇ．１　Ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　外部时钟与内部时钟两种工作模式．ＰＤ１ＰＤ０＝０１　时为外部时钟模式，串行数据的移入、移出，以及数　据采集、转换都由ＳＣＬＫ端的输入脉冲控制．外部　时钟模式分为２５　ＳＣＬＫ／ｓ和１８　ＳＣＬＫ／ｓ两种方　式，后者转换速率稍快，其原因是／ｃｓ在全部数据　１．１　ＳＴＭ３２Ｆ１０３微处理器　ＳＴＭ３２Ｆ１０３是意法半导体公司新近推出的　基于ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核的３２位增强型系列　处理器　］．该处理器主频高达７２　ＭＨｚ，片上带１２８　ｋ　Ｆｌａｓｈ存储器和１０　ｋ　ＳＲＡＭ存储器，有２个高速　转换期间始终维持有效电平．本系统采用１８　ＳＣＬＫ／ｓ的外部时钟模式，其采样时序图如图２　所示．　ＵＳＢ　２．０接口、２个ＳＰＩ接口和多个定时器等丰富　／ｃｓ］　几几ｎ几几几同几ｒ］ｒ］几闷网几　几几网ｎ　ｎ几几网ｎ网ｒ］ｒ］几几网曰ｎ　ｎ　ｒ］ｎ同ｒ＿　ＭＳＢ　ＣＯＮＴＲＯＬＢＹＴＥ０　ＬＳＢ　ＣＯＮＴＲＯＬＢＹＴＥ１　ＣＯＮＴＲＯＬＢＹＴｔ　ｒ　ｓ叫ｓ　ｌｓ叫　１日ｌＰ　Ｉｍ　ｌＰＤＯｌ　ｌｓＥＬ　１阿　ＲＥＳＵＬＴＩ　．　Ｉ　Ａ　１８　ＳＣＬＫ——————————　ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ　—Ｉ　ＡＣＯＵＵＩＳＩＴＩＯ　Ｉ一　ＯＮＬＩ—　图２　ＭＡＸ１２７０采样时序图　Ｆｉｇ．２　ＭＡＸ１２７０　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｔｉｍｉｎｇ　ｄｉａｇｒａｍ　ＳＥＬ２～ＳＥＬ０为通道选择位，０００～１１１分别　选择输入通道ＣＨ０～ＣＨ７．ＲＮＧ～ＢＩＰ为输入范　二进制补码．ＭＡＸ１２７０可使用芯片内的４．０９６　Ｖ　参考电压，也可使用外部参考．本系统使用内部　４．０９６　Ｖ参考电压．　围选择位，ＭＡＸ１２７０有４种输入范围．ＲＮＧ～ＢＩＰ　置００时，０～５　Ｖ单极性输入；置叭时，０～１０　Ｖ单　极性输入；置１０时，一５～５　Ｖ双极性输人；置１１　时，一１０～１０　Ｖ双极性输入．对单极性输入，　１　ＬＳＢ＝ＦＳ／４０９６，输出数据为１２位二进制码．对　双极性输入，１　ＬＳＢ＝ＦＳ／２０４８，输出数据为１２位　２　软件设计　在本系统中，软件设计分为３个部分：固件设　计、ＵＳＢ驱动设计和ＰＣ程序设计．　上海工程技术大学学　报　第２５卷　２．１固件设计　固件需要完成的任务包括两方面，一是与ＰＣ　的数据交互，二是采样控制．　１）与ＰＣ数据交互　通过ＵＳＢ接口实现，ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８嵌入的　ＵＳＢ　２．０接口支持全速１２　Ｍｂｉｔ／ｓ，８个可配置端　点支持控制传输、同步传输和批量传输多种模式．　在这里将实现２个批量传输，端点１用于批量传输　ＩＮ，端点２用于批量传输ｏＵＴ（端点０总是用于单　缓冲模式下的控制传输）．传输的数据内容主要包　括下传的控制命令和上传的采样数据．其中，控制　命令主要是开始采样和停止采样．开始采样命令中　带有３个参数，通道、采样范围和采样率．　２）采样控制　微控制器通过ＳＰＩ１与ＭＡＸ１２７０连接，　ＭＡＸ１２７０自身不带有控制功能，是通过在其ＤＩＮ　引脚上传人命令字进行采样．命令字中需要的配置　参数（通道和采样范围）由ＰＣ下传的控制命令决　定．而采样率控制则通过微控制器的一个定时器　ＴＩＭ２来实现．根据采样率设置定时器ＴＩＭ２，在每　个ＴＩＭ２的中断过程中向ＭＡＸ１２７０发送一个命　令字来完成一次采样．采样得到的数据通过ＳＰＩ１　读取，然后通过ＵＳＢ上传到ＰＣ．为了减轻微控制　器的ＣＰＵ负荷，可以充分利用ＳＴＭ３２微控制器　ＤＭＡ性能，实现采样数据从ＳＰＩ１的接收缓冲区　到ＵＳＢ发送缓冲区的转移．固件的程序流程图如　图３所示．　初始化ｕｓＢ引擎（端点配　置），建立到ＭＡＸ１２７０的　数据通路（配置ＳＰＩ１）　等待采样开始命令　收到开始命令　据采样率设置Ｔ１Ｍ２定时中　，根据通道和采样范围建立　令字，启动定时器进行采样　等待采样停止命令　收到停止命令　关闭ＴＩＭ２，采样停止　图３固件程序流程图　Ｆｉｇ．３　Ｆｉｒｍｗａｒｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　固件可以在Ｋｅｉｌ或者ＩＡＲ环境下开发．ＳＴＭ３２　固件库提供了强大的封装，大大简化了用户程序的　开发．本系统主要用到ＴＩＭ，ＳＰＩ和ＵＳＢ固件库．　２．２　ＵＳＢ驱动设计　与其他的ＵＳＢ接口通信一样，由于不是标准　的ＵＳＢ设备，需要编写特定的ＷＤＭ驱动程序．本　系统采用ＮｕＭｅｇａ公司提供的ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ专门　ＵＳＢ设备驱动开发工具，它是一个大的开发工具　包，包含Ｄｒｉｖｅｒ　Ｗｏｒｋｓ，ＶｔｏｏｌｓＤ和ＳｏｆｔｌＣＥ等开　发工具　．Ｄｒｉｖｅｒ　Ｗｏｒｋｓ用于开发ＫＭＤ和ＷＤＭ　驱动程序，并且对ＤＤＫ函数进行了类的封装，为　开发ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ，Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００和Ｗｉｎｄｏｗｓ９８　ＷＤＭ设备驱动程序提供了一个自动化的方法．　ＶｔｏｏｌｓＤ开发包提供了对Ｖ×Ｄ编程的ｃ／ｃ＋＋类　库支持，利用ＶｔｏｏｌｓＤ中的ＱｕｉｃｋＶ×Ｄ工具可以　快速生成Ｖ×Ｄ的ｃ／ｃ＋＋代码框架，可以在此基　础上根据系统的需要添加自己的代码．本系统利用　Ｄｒｉｖｅｒ　Ｗｏｒｋｓ开发ＵＳＢ驱动程序，可以大大简化　工作量、缩短开发周期以及降低开发驱动程序的难　度＿７　］．本系统ＵＳＢ设备有２个批量端点，每个端　点的配置如表２所示．　表２　ＵＳＢ端点配置表　Ｔａｂｌｅ　２　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｔａｂｌｅ　ｏｆ　ＵＳＢ　ｅｎｄ　ｐｏｉｎｔｓ　驱动程序需要实现的功能是通过端点１和端　点２对设备进行读写．利用Ｄｒｉｖｅｒ　Ｗｏｒｋｓ开发本　系统的ＵＳＢ设备驱动程序的步骤如下．　１）启动ＶＣ　ＩＤＥ．从ＶＣ　ＩＤＥ的菜单“Ｄｒｉｖｅｒ　Ｓｔｕｄｉｏ”中选择“Ｄｒｉｖｅｒ　Ｗｉｚａｒｄ”，并按向导选择总　线类型为ＵＳＢ，驱动程序类型为ＷＤＭ．　２）按表２中ＵＳＢ端点配置表进行端点的设　置．因为在ＵＳＢ协议中规定端点０是必须存在的，　所以仅需要对端点１和端点２进行定义．　３）选择端点１和端点２产生Ｂｕｌｋ　Ｒｅａｄ及　Ｂｕｌｋ　Ｗｒｉｔｅ的代码，结束Ｗｉｚａｒｄ设置．此处一定要　设置Ｄｒｉｖｅｒ　Ｗｏｒｋｓ菜单下Ｄｒｉｖｅｒ　Ｂｕｉｌｄ　Ｓｅｔｔｉｎｇ中　的Ｆｂａｓｅｄｉｒ］和ＥＣＰＵ］等项．设置好后，在弹出的对　话框中进行正确的选择，即可生成最终的．ｓｙｓ驱动　程序．　２．３　ＰＣ程序设计　ＰＣ应用程序建立在驱动程序之上，是整个系　统与用户的最直接接口，可选用多种语言进行开　发．本工作以ＶＣ＋＋为开发平台，以两个基本功能　（采样控制和采样数据收集）说明如何进行应用程　第４期　刘炳祥，等：基于ＡＲＭ处理器的ＵＳＢ数据采集系统　序的开发．应用程序可以根据自身需要进行扩展，　技术，即所有的画面绘制工作在一张与窗口显示界　例如对采样数据的波形显示处理、频谱分析等．　１）建立一个面向对话框的应用程序．　２）在对话框中添加一些控件，表３列出了主　要控件的功能．　程序流程图如图４所示．　表３主要控件的功能表　Ｔａｂｌｅ　３　ＭａｉＵ　ｃｏｎｔｒｏｉｓ　ｍｅｎｕ　面大小相同的内存位图上完成，待所有的绘制完成　之后，通知显示窗口更新．初始化时，根据显示窗口　的大小建立内存位图和内存ＤＣ，并根据设置的量　程绘制坐标，依次将采样数据绘制到内存位图中．　然后，使用线连接当前绘制的点和前一个点，当所　有的点都绘制完成之后，刷新显示区域．　停止采样：通过ＵＳＢ接口发送采样停止命令，　控件名称　功能描述　采样通道　采样通道列表选择数据采样的通道　电压量程　电压量程选择系统输入信号的范围　采样率　用于设置系统的采样频率　查找硬件　检查硬件是否连接好　开始采样　控制系统开始采样　停止采样　控制系统停止采样　退出系统　关闭应用程序，退出系统　系统初始化　一ｌ　　等待用户启动采样　ｌ　收到采　启动采样数据读取线程　样数据　发送采样开始命令　Ｊ　、　，＜　送数据显示模块进　、、、　行显示处理　停止采样数据侦听　发送采样停止命令　图４　ＰＣ应用程序流程图　Ｆｉｇ．４　ＰＣ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　查找硬件：通过查找ＵＳＢ设备来确认硬件是　否连接好，在硬件插入时，如果没有安装驱动程序，　需要安装驱动；如果查找成功，则可以进行采样．　开始采样：通过ＵＳＢ接口发送采样开始命令，　同时开启一个线程侦听ＵＳＢ接口的采样数据，接　收到采样数据时刷新显示区域．此过程采用双缓冲　停止对ＵＳＢ接口上行数据的侦听．　３　结　语　该系统经过实际测试，整个系统运转正常，最　高采样频率为２００　ｋＨｚ，满足了预期的数据采集控　制与数据传输的要求．本系统硬件成本低、可靠性　高、人机界面友好，有良好的市场应用前景．　参考文献：　［１］胡晓军，张爱成．ＵＳＢ接口开发技术ＥＭ］．西安：西安　电子科技大学出版社，２００５．　Ｅ２］杨宗德．嵌入式ＡＲＭ系统原理与实例开发［Ｍ］．北　京：北京大学出版社，２００７．　Ｅ３３路永坤．基于ＵＳＢ接口的数据采集模块的设计与实　现［Ｊ］．自动化仪表，２００５，２６（２）：３５—３７．　Ｅ４３杜戈，闫健卓，孙景琪．ＵＳＢ总线的体系结构Ｉ－Ｊ］．电　子产品世界，２００１（１）：６６—６７．　Ｅ５３王永虹，徐炜，郝立平．ＳＴＭ３２系列ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—　Ｍ３微控制器原理与实践［Ｍ］．北京：北京航空航天　大学出版社，２００８．　［６］武安河，邰铭，于洪涛，等．Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００／ＸＰ　ＷＤＭ　设备驱动程序开发［Ｍ］．北京：电子工业出版社，　２００３：５—１０８．　Ｅ７３李朋勃，张洪平．基于ＵＳＢ　２．０的高速数据采集系统　［Ｊ］．电子技术应用，２００９（１０）：１０９—１１２．　Ｅ８］曹军军，陈小勤，吴超，等．基于ＵＳＢ　２．０的数据采集　卡的设计与实现［Ｊ］．仪器仪表用户，２００６，１３（１）：　３７—３８．　［９］　Ｗａｎｇ　Ｂ　Ｉ　，Ｊｉ　Ｈ　Ｆ，Ｈｕａｎｇ　Ｚ　Ｙ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ＥＣＴ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒ—　ｅｎｔｉａｌ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　Ｊｏｕｒｎａｌ，　２００５，５（２）：３０８—３１１．