基于USB接口的数据采集与控制系统设计

摘要：利用ADuC845单片数据采集器件和CH341 USB接口器件构成的数据采集与控制系统，具有10个24位的A/D转换器输入通道，60 Hz范围内有20位有效分辨率，失调漂移10 nV/℃，12位电压输出D／A转换器，双16位PWM输出，8路开关量输入／输出，支持全速设备接口USB V1．1，通讯波特率可达50 b/s～2 Mb/s，适用于医疗设备、工业控制系统等数据采集与控制领域。
关键词：数据采集；A/D转换器；USB通信；ADuC845

1 系统结构
    利用ADuC845单片数据采集器件和CH341 USB接口器件构成的数据采集与控制系统的框图如图1所示。ADuC845完成模拟量数据采集、开关量的输入输出、控制电压和PWM控制信号输出，CH341USB接口器件完成PC机与ADuC845的数据传输。

    ADuC845中的数据打包后经USB器件传送至PC机，利用 PC机的数据处理程序完成数据处理与分析，并将其显示在所设计的系统界面上。同时，将控制命令通过USB接口传送至ADuC845，实现对外围设备的控制。

2 USB通信接口电路
    USB通信接口电路采用CH341器件，图2为其电路。图2中，P3是USB端口，USB总线包括一对5 V电源线和一对数据信号线。通常+5 V电源线是红色，接地线是黑色，D+信号线是绿色，D-信号线是白色。USB总线提供的电源电流最大可达500 mA，CH341和低功耗的ADuC845直接使用USB总线提供的5 V电源。

    CH341的RXD引脚和TXD引脚分别与ADuC845的RxD引脚和TxD引脚相连，由于传输数据。晶体Y2、电容C13和C14用于时钟振荡电路。Y2的频率是12 MHz，C13和C14是容量为15 pF的独石或高频瓷片电容。VD1为工作状态指示灯，R3为其限流电阻。R4是0 Ω电阻(磁珠)，它能实现滤波及保护。C12和C11是独石或高频瓷片电容，C12容量为1 000 pF～0．01μF，用于CH341内部电源节点退耦，C11容量为O．1μF，用于外部电源退耦。
    设计印刷线路板PCB时，需注意是的：退耦电容C11和C12应尽量靠近CH341放置；使D+和D-信号线贴近平行布线，尽量在两侧提供地线或覆铜，以减少外界的信号干扰；尽量缩短XI和XO引脚相关信号线长度，为减少高频时钟对外界的干扰，可在相关元件周边环绕地线或覆铜。

3 数据采集与控制电路设计
    数据采集与控制电路以ADuC845为核心，电路如图3所示，该电路提供10个24位的A／D转换器输入通道，输入端接有1 kΩ的电阻和0．1μF的滤波电容器。12位电压输出 D／A转换器经运算放大器OP284缓冲后输出；也可提供双16位PWM输出和8路开关量的输入／输出。ADuC845的RxD引脚和TxD引脚分别与CH341的RXD引脚和TXD引脚相连，实现数据传输。晶体振荡器电路采用32.768 kHz晶振Y1，电容C18和C19根据系统需要调整确定。数字电路的电源端分别连接0．1μF的退耦电容到地。模拟电路的电源端连接0．1μF和10μF的退耦电容到地。退耦电容应尽可能的靠近电源放置。

4 系统主要程序设计
4．1 USB通信接口电路驱动程序
    USB通信接口电路的USB端口与PC机连接。对PC机而言，数据采集与控制系统是一个具有USB接口的功能部件(或称下位机)。PC机通过虚拟串口设备直接传输数据到下位机。USB通信接口电路驱动程序代码如下：
    [CH341S98．9X．AddReg]；／／用于添加注册表部分

4．2 A/D采样程序
    以下给出A/D采样程序的部分代码：

5 结语
    该数据采集与控制系统以ADuC845为核心器件，采样分辨率高(20位)，系统温漂小(10 nV／℃)，运行稳定，抗干扰能力强；利用USB接口作为该系统的通信接口，安装灵活、传输速度快、可靠性高、易于扩展；利用PC机完成数据分析与数据处理。因此该系统设计适用于医疗设备、工业控制系统等数据采集与控制领域。