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2020年02月21日 | 嵌入式系统USB接口的虚拟示波器设计
2020-02-21 来源：elecfans
虚拟示波器是将计算机强大的计算处理能力和一般硬件仪器的信号采集和控制能力结合在一起，从而实现一般示波器所不能实现的功能和友好的界面，弥补了传统示波器功能单一、体积庞大、携带不便、价格昂贵的不足。随着计算机技术的发展 ,对虚拟仪器的智能化和小型化的要求越来越高。嵌入式系统的发展使得基于嵌入式微处理器和实时操作系统的嵌入式虚拟仪器能够满足恶劣工作环境下的便携虚拟仪器的需要。同时，基于USB总线的仪器设备克服了现有PC总线虚拟仪器的不足，可满足自动化工业测量的要求，特别适合现场信号的测试。
常用的虚拟仪器多采用PCI或ISA插槽，然而采集卡的数量一般有限，因此在搭建系统的时候，只能指定特定的计算机或嵌入专门的采集卡，但有些设备根本就不支持PCI或ISA总线，这种内置形式很容易受到PC机箱内高频干扰的影响，降低系统的采样精度和稳定性。如果能够将整个系统做成外置式，不仅能够提高系统的采样精度和稳定性，还能增强系统的灵活性，同时还有利于系统的维护。
USB接口是实现虚拟仪器的一种更方便、更有效、更灵活的总线通讯式。USB总线是新一代总线技术，使PC机配置新的硬件设备不用在打开机盖，且支持热插拔技术，给使用者以极大的方便。USB总线具有传输速率高、支持异步和等时传输特点，并且可同时挂接127个独立的USB设备，适合于外登式中高速、高精度采样系统。USB技术是非赢利性的规范，已得到了广泛工业支持。
1 系统整体设计
嵌入式处理器是由C8051F020单片机和USB总线芯片CH375组成。C8051F020单片机作为系统的CPU担任着逻辑控制、数据采集和存储管理的工作，接收测试分析对象上传的数据源信号，通过信号调理模块和模数转换模块等控制功能实时采集数据，由USB总线芯片CH375作为与上位机通信的接口将数据传送给上位机监控模块。系统结构如图1所示。
C8051F系列单片机是完全集成混合信号的系统级芯片，具有与8051兼容的控制器内核，并与MCS-51指令集兼容；片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。C8051F单片机采用流水线结构，机器周期由标准的12个系统时钟降为1个系统时钟，处理能力大大提高，峰值性能可 达25M IPS.C8051F单片机是能真正独立工作的片上系统(SoC)。每个MCU都能有效地管理模拟外设和数字外设，可以关闭单个或全部外设节省功耗。Flash存储器还具有片上重新编程能力，可用于非易失性数据存储。片内JTAG调试支持观察、修改储存器和寄存器，支持断点、单步、运行、停机命令。调试时所有的模拟和数字外设都能全功能运行。
C8051F最突出的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源分配给端口I/O 引脚。这种结构可支持所有的功能组合，可通过设置交叉开关控制寄存器，将片内的计数器 /定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入及微控制器内部的其他数字信号配置在端口I/O引脚，这就允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。
USB模块CH375是一个USB总线的通用设备接口芯片，无需编写驱动程序，内置有USB通讯中的底层协议，完全满足USB1.1标准。该模块具有8位数据总线(D0～D7)、地址输入(A0)、读(RDJHJ)、写(WRJHJ)、片选控制线(CSJHJ)，以及中断输出(INTJHJ)等功能，可以方便地挂接到单片机的数据总线上。当A0为低电平时选择数据端口，单片机通过8位并口对CH375进行读写数据；当AO为高电平时选择命令端口，可以向其写入命令。
在本地端，单片机对CH375的操作是采用命令加数据的I/O 操作方式，任何操作都是先发命令给CH375，然后执行数据输入输出。CH375接收到上位机发送的数据或者发送完给上位机的数据后，以中断方式通知单片机。各通道的USB模块CH375在计算机应用层与其本地端单片机之间提供了端对端的连接，统一采用数据加应答方式进行通信，所有的通信都由计算机应用层发起，然后以接收到单片机的应答结束。
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