USB数据采集系统分析论文
USB数据采集系统分析论文 摘要：已成为PC标准的通用串行总线USB为多点数据采集提供了很大的 便利，利用USB可以实现较传统方式更有效、更经济、点数更多的数据采集。本 文介绍了如何利用USB接口来实现多点数据采集。关键词：USBRS485数据采集 在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用PC或工控机对各种数 据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、 频率等。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，常用的有A/D卡以及422、 485等总线板卡。采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，而且由于受 计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。而通用串行总 线（UniversalAerialBus，简称USB）的出现，很好地解决了以上这些冲突，很容 易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。
１USB简介 USB是一些PC大厂商，如Microsoft、Intel等为了解决日益增加的PC外设 与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准，自1995年在 Comdex上亮相以来至今已广泛地为各PC厂家所支持。现在生产的PC几乎都配备 了USB接口，Microsft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操 作系统都增加了对USB的支持。
1.1USB系统的构成 USB系统主要由主控制器(HostController)、USBHub和USB外设 (PeripheralsNode)组成系统拓扑结构，如图１所示。
1.2USB的主要优点 #183;速度快。USB有高速和低速两种方式，主模式为高速模式，速率为 12Mbps，另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等， USB还提供低速方式，速率为1.5Mb/s。
#183;设备安装和配置容易。安装USB设备不必再打开机箱，加减已安装 过的设备完全不用关闭计算机。所有USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。
#183;易于扩展。通过使用Hub扩展可拨接多达127个外设。标准USB电缆 长度为3m（5m低速）。通过Hub或中继器可以使外设距离达到30m。
#183;能够采用总线供电。USB总线提供最大达5V电压、500mA电流。
#183;使用灵活。USB共有４种传输模式：控制传输(control)、同步传输 (Synchronization)、中断传输(interrupt)、批量传输(bulk)，以适应不同设备的需要。
２采用USB传输的数据采集设备 2.1硬件组成 一个实用的USB数据采集系统包括A/D转换器、微控制器以及USB通信接 口。为了扩展其用途，还可以加上多路模拟开关和数字I/O端口。
系统的A/D、数字I/O的设计可沿用传统的设计方法，根据采集的精度、速 率、通道数等诸元素选择合适的芯片，设计时应充分注意抗干扰的性能，尤其对 A/D采集更是如此。
在微控制器和USB接口的选择上有两种方式，一种是采用普通单片机加上 专用的USB通信芯片。现在的专用芯片中较流行的有NationalSemiconductor公司 的USBN9602、ScanLogic公司的SL11等。笔者曾经采用Atmel公司的89c51单片机 和USBN9602芯片构成系统，取得了良好的效果。这种方案的设计和调试比较麻 烦，成本相对而言也比较高。
另一种方案是采用具备USB通信功能的单片机。随着USB应用的日益广泛， Intel、SGS-Tomson、Cypress、Philips等芯片厂商都推出了具备USB通信接口的 单片机。这些单片机处理能力强，有的本身就具备多路A/D，构成系统的电路简 单，调试方便，电磁兼容性好，因此采用具备USB接口的单片机是构成USB数据 采集系统较好的方案。不过，由于具备了USB接口，这些芯片与过去的开发系统 通常是不兼容的，需要购买新的开发系统，投资较高。
USB的一大优点是可以提供电源。在数据采集设备中耗电量通常不大，因 此可以设计成采用总线供电的设备。
2.2软件构成Windows98提供了多种USB设备的驱动程序，但好象还没有一种是专门针 对数据采集系统的，所以必须针对特定的设备来编制驱动程序。尽管系统已经提 供了很多标准接口函数，但编制驱动程序仍然是USB开发中最困难的一件事情， 通常采用WindowsDDK来实现。目前有许多第三方软件厂商提供了各种各样的生 成工具，象Compuware的driverworks,BlueWaters的DriverWizard等，它们能够很 容易地在几分钟之内生成高质量的USB的驱动程序。
设备中单片机程序的编制也同样困难，而且没有任何一家厂商提供了自动 生成的工具。编制一个稳定、完善的单片机程序直接关系到设备性能，必须给予 充分的重视。
以上两个程序是开发者所关心的，用户不大关心。用户关心的是如何高效 地通过鼠标来操作设备，如何处理和分析采集进来的大量数据，因此还必须有高 质量的用户软件。用户软件必须有友好的界面，强大的数据分析和处理能力以及 为用户提供进行再开发的接口。
３实现USB远距离采集数据传输 传输距离是限制USB在工业现场应用的一个障碍，即使增加了中继或Hub， USB传输距离通常也不超过几十米，这对工业现场而言显然是太短了。
现在工业现场有大量采用RS－485传输数据的采集设备。RS－485有其固 有的优点，即它的传输距离可以达到1200米以上，并且可以挂接多个设备。其不 足之处在于传输速度慢，采用总线方式，设备之间相互影响，可靠性差，需要板 卡的支持，成本高，安装麻烦等。RS－485的这些缺点恰好能被USB所弥补，而 USB传输距离的限制恰好又是RS－485的优势所在。如果能将两者结合起来，优 势互补，就能够产生一种快速、可靠、低成本的远距离数据采集系统。
这种系统的基本思想是：在采集现场，将传感器采集到的模拟量数字化以 后，利用RS－485协议将数据上传。在PC端有一个双向RS－485～USB的转换接 口，利用这个转接口接收485的数据并通过USB接口传输至PC机进行分析处理。
而主机向设备发送数据的过程正好相反：主机向USB口发送数据，数据通过485 ～USB转换口转换为485协议向远端输送，如图3所示。
在图3的方案中，关键设备是485～USB转换器。这样的设备在国内外都已 经面市。笔者也曾经用NationalSemiconductor公司的USBN9602+89c51+MAX485实现过这一功能，在实际应用中取得了良好的效果。
需要特别说明的是，在485～USB转换器中，485接口的功能和通常采用485 卡的接口性能（速率、驱动能力等）完全一样，也就是说，一个485～USB转换 器就能够完全取代一块485卡，成本要低许多，同时具有安装方便、不受插槽数 限制、不用外接电源等优点，为工业和科研数据采集提供了一条方便、廉价、有 效的途径。
４综合式采集数据传输系统的实现 现在的数据采集系统通常有分布式和总线两种。采用USB接口易于实现分 布式，而485接口则易于实现总线式，如果将这两者结合起来，则能够实现一种 综合式的数据采集系统。实现方法是：仍然利用上面提到过的USB～485转换器 实现两种协议的转换。由于USB的数据传输速率大大高于485，因此在每条485 总线上仍然可以挂接多个设备，形成了图4所示的结构，其中D代表一个设备。
这种传输系统适用于一些由多个空间上相对分散的工作点，而每个工作点 又有多个数据需要进行采集和传输的场合，例如大型粮库，每个粮仓在空间上相 对分散，而每个粮仓又需要采集温度、湿度、二氧化碳浓度等一系列数据。在这 样的情况下，每一个粮仓可以分配一条485总线，将温度、湿度、二氧化碳浓度 等量的采集设备都挂接到485总线上，然后每个粮仓再通过485总线传输到监控中 心，并转换为USB协议传输到PC机，多个粮仓的传输数据在转换为USB协议后 可以通过Hub连接到一台PC机上。由于粮仓的各种数据监测实时性要求不是很高， 因此采用这种方法可以用一台PC机完成对一个大型粮库的所有监测工作。
５前景展望 USB设备的应用目前在国外处于高速发展阶段，在国内的应用已经起步。
我们在USB数据采集、USB工业控制等领域已经取得了一定的成果，在现实中得 到成功的应用。
即将出台的USB2.0协议，数据传输速率高达480Mbps，如此高的传输速率 能用于1.0的传输速率所无法满足的地方，如高实时性要求的工业设备控制、动 态图像实时传输等。随着时代的进步和技术的发展，USB必将在更广阔的领域得 到更深层次的应用。