基于usb接口的大容量数据采集存储系统设计

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1、基于USB接口的大容量数据采集存储系统设计山东聂阳常用的数据采集存储系统，是采用数据采集卡与计算机相连的方式，利用微机扩展插糟将经过数据采集卡采集的数据存储到微机硬盘中。但是，在一些特殊场合，如对高海拔地区的气温、湿度等气象数据的采集等，传统的联机采集方式受到制约。日前，虽然有可移动存储数据采集系统，但其价格昂贵、专业性强，通用性受到限制。现在，基于USB接口的移动存储介质〔如U盘、移动硬盘〕已被普遍使用，并有专用接口芯片可以利用，笔者将其与单片机技术结合起来，设计了一种基于USB接口的大容量数据采集存储系统。该

2、系统可以方便地与测量设备输出端相连，将采集的数据存储到U盘、移动硬盘等存储介质中，整个过程不需要PC机支持，其有通用性和大容量的特点，有效地解决了特殊场合的据采集问题。一、整体设计数据采集系统所能处理的信号一般有以下五种：1.二路0-10V的电压输入端，适合于输出信号为电压的传感器或变送器，如电源电压的输出；2.二路0-100mA的电流输入端，适合于输出信号为电流的传感器或变送器；3.二路差分电压输人端，适合子电阻桥类传感器，如应变式压力传感器；4.二路4mA-20mA标准电流输入端，针对输出信号为4-20mA传

3、感器或变送器信号，如带变送器的PT温度传感器；5.二路用来计数的数字信号输入端。根据以上分析，本设计基于USB接口的大容量数据采集存储系统组成框图如图l所示。89C52单片机为中央处理器，控制整个系统的运转；前端信号处理电路负贵将电压、电流等原始信号转化为适合于A/D转换芯片处理的0-5V和0-10V电压；A/D转换芯片为8通道12位并行数据输出的MAX197；采集处理后的数据通过专用USB接口芯片CH375存储到移动存储介质中进行后续处理。此外，用户还可以通过由LCD显示器和按键组成的控制面板，方使地设置系统的

4、各种采集参数和监测采集的进程。二、硬件电路设计1.电流转换电路在将电流转换成电压时，为保证转换精度和较大的适用范围，要求I/V转换器有低输入电阻及低输入阻抗，故选用采样电阻加运算放大器的I/V转换电路，通过合理选择电阻，将0-100mA的电流转换为0-10V的电压，既简单又满足了测量需要。对于4mA-20mA标准工业电流，则采用ISO-A4-P3-04专用I/V隔离转换器，直接将标准电流转换为0-5V电压。该IC内含一组高隔离DC-DC电源和电流信号高效率藕合隔离变换电路等，可以将直流电流小信号直接转换为直流电压

5、信号输出，具有很小的输入电阻（≤250Ω）和很大的输出电阻（≥2kΩ），能实现小信号远程无失真传输。该模块使用方便、免零点和增益调节，无需外接调节电位器等元件，即可实现测量现场信号的隔离转换功能（如图2所示）。由于与光电隔离器件产品相比，该芯片的电磁干扰能力不足，因此在印刷电路板制作中，务必采取抗电磁干扰措施。2.电压处理电路电压处理电路的主要作用，就是对原始信号进行滤波去噪，并将差分电压放大转变为单端电压。根据系统对电源、功耗和体积的要求，选用单电源仪表放大器AD623作为差分放大器。该放大器在单电源（+3V～

6、+12V）下能提供满电源幅度输出，并且使用单一电阻进行增益编程，在接入外接电阻Rg后，可以获得1-1000倍的增益，放大倍数可由公式G=1+100kΩ／Rg确定。一般桥路电压输出都在几十mV，因此选用Rg为1.02kΩ，放大倍数为100，电路如图3所示。3.A/D转换电路从采集系统的精度、速率和通道数等几方面考虑，选取通用MAX197模数转换芯片。MAX197是一款多输入范围、多通道的12位模数转换器，只需单+5V供电，通过软件编程来选择8个输入通道中的一个进行模数转换。每个输入通道的模拟信号电平范围为0-10V

7、或0-5V，可以非常方便地与±12V和±5V供电的传感器接口；芯片内带采样保持器.转换时间为6μs，采样速率可达100kbps。该芯片提供数据读取并行接口方式，可与处理器简便连接，其电路如图4所示。MAX197通过并行接口与MCU相连，数据总线与MCU的P0口相连，通道和采样范围的控制字，以及转换结束的数据都由P0口传输。HBEN为12位的转换结果选择端，当HBEN为高电平时，选择读取转换结果的高4位；当HBEN为低电平时，选择读取转换结果的低8位。由于MAX197的转换时间较短且基本是一个固定值，故程序中没有采

8、用中断方式，而是采用固定延时方式读取转换结果，以提高数据通过率和程序效率。在HBEN为高电平时，向MAX197写入控制字，就能启动一次A/D转换。4.存储电路通过性能比较，系统USB接口芯片选用了CH375。CH375是一个USB总线通用接口电路，支持HOST主机方式和SLAVE设备方式，其内部已经集成了PLL倍频器、主从USB接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、异步串