2020年11月11日 | 基于MSP430与uPD720200的高速温度采集系统的设计

USB3.0高速数据采集系统，以其5Gbps的带宽和即插即用等优越的性能，越来越受到人们的重视。目前常用的USB3.0通信芯片主要有来自美国赛普拉斯（CYPRESS）公司开发的EZ USB FX3系列芯片和日本NEC公司开发的uPD720200系列芯片。二者不仅都具有集成度高、功能强大、兼容USB2.0等优点，而且两个厂家都提供了功能强大的开发工具包，能极大缩短开发周期，而深受开发者喜爱。目前一些采集系统采用传统的51系列单片机为主控芯片，则不能充分发挥USB3.0的带宽，性能不佳。虽然CPLD芯片可以工作在很高的频率，但不及单片机灵活易用，故本文采用美国TI公司最新高速的ADS7886芯片为A/D转换芯片，最新的MSP430单片机作为主控芯片，NEC公司的UPD720200作为USB3.0通信芯片，研究和设计了一套基于USB3.0总线的温度数据采集系统。经测试，本系统能实现高速温度数据采集。

1 系统硬件设计

系统总体框架如图1所示。温度传感器采集的信号经A/D转换芯片ADS7886转换为数字信号后，送入主控芯片MSP430，再经处理后发送到USB3.0主机接口芯片uPD720200，最后数据以5Gbps的速度送入到USB主机。

1.1 A/D模块

该模块使用美国TI公司最新高速的A/D采样芯片ADS7886。ADS7886是12位串行高速精密A/D芯片，为了提高系统的精度，我们设计采用了REF3030芯片提供3V的基准电压。A DS7886的第3脚为模拟信号输入端口，第4脚为1MHz的工作时钟信号输入端口，第6脚为片选信号端，第5脚为模拟信号转换为数字信号后的输出端，供MSP430单片机读取。

1. 2 MSP430最小系统模块

MSP430的最小系统如图3所示，主要由MSP430单片机、晶振电路和电源构成。其中P1.4为ADC7886串行数据输入端，P2.0～P2.3用于连接USB3.0通信芯片uPD720200，P1.6和P1.7连接两个LED指示灯，用来显示当前的工作状态。

1.3 USB传输模块

该模块如图4所示，我们选用了NEC公司的uPD720200作为USB3.0通信芯片，其完全遵循USB3.0的通信协议和接口规范。uPD720200的引脚U3TXDP1、U3TXDN1、U3RXDP1、U3 RXDN1分别与MSP430的引脚P2.0～P2.3连接。

其工作原理如下：采集数据时，uPD720200收到用户的数据采集请求后，将形成相应的控制信号，通过P2.2、P2.3下传递给MSP430;MSP430随后对ADS7886发出采集数据的控制信号，并将ADS7886采集的数据，通过P2.0、P2.1后上传至uPD720200;uPD720200的SIE（串行接口引擎）再将数据送入指定的接收缓冲区内，供USB上位机读取。

2 系统软件设计

系统软件的开发包含了MSP430和uPD720200的固件程序开发、uPD720200的windows驱动程序开发以及USB上位机应用程序的开发。我们可以利用NEC公司提供的开发包，大大缩短开发周期，提高开发效率。

MSP430固件程序主要完成对A/D芯片ADS7886的控制和对uPD720200芯片的通信，其将ADS7886芯片采集的数据传送给uPD720200。MSP430的固件开发需对相应的引脚和时序进行定义，为此我们采用了C51语言编写，开发环境为Keil uVision4.0。uPD720200固件程序的主要功能是让其将MSP430芯片传来的数据传输到上位机，实现超高速数据传输。uPD 720200完全符合USB3.0协议，固件程序主要为设置与操作其内部的控制寄存器。NEC公司为开发者提供了功能强大的uPD720200 SDK开发包，可以非常方便地开发出其固件和Wind ows驱动程序。在上位机的应用程序的开发方面，NEC公司同样为用户提供了相应的操作简单、功能强大的C++编程接口库函数。我们选用了Microsoft Visual Studio2008作为开发工具，通过相应的库函数与设备驱动程序传递数据，实现了实时数据采集功能。

3 总结

本文详细介绍了采用uPD720200为接口USB3.0芯片、MSP430为主控芯片，设计与开发了一套USB3.0温度采集传输系统。NEC公司为uPD720200提供了完整的SDK开发包，缩短了开发周期。我们采用的MSP430系列单片机在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期，再加上16位的数据宽度，其运算速度相对传统的51系列单片机非常快，能充分发挥USB 3.0的带宽。虽然受ADS7886芯片采样速率的影响，没有实现超速数据采集，但MSP430与uPD720200组合无疑是高速数据采集系统开发方面的一种低价高效的优秀方案。