目前工業和醫療上使用的USB設備，絕大部分是使用專用的USB芯片與微處理器相連的，特別是USB數據采集系統。根據不同的需求，通常也需要外擴一定數量的A／D轉換器，接口非常復雜。有時甚至需要為了協調不同的時鐘而外擴FIFO，這樣的設計不但成本大幅提高，而且系統的穩定性受到了嚴重的威脅。本文使用Atmel公司開發的基于ARM的閃存微控制器AT91SAM7X芯片。芯片內部集成了8路10位ADC和USB2．O設備接口，單芯片即可完成設計任務，避免了復雜的接口電路設計，不但有效地解決了以上這些問題，而且在很大程度上提高了系統的穩定性。

1 AT91SAM7X數據采集主控芯片介紹

AT9lSAM7X是基于32位ARM7TDMI內核的微控制器。AT91SAM7X系列微控制器具備嵌入式10／100M以太網 （Ethernet）MAC、CAN、全速（12 Mbps）USB 2．O。針對廣泛的網絡化實時嵌入式系統而設計的AT9lSAM7X256還具備1個10位模／數轉換器（ADC）、2個串行外圍接口（SPI）、同步串行接口（SSC）、雙線接口（TWI）、3個通用異步收發器（UART）、1個8級優先中斷控制器（priority interrupt controller）和眾多的監管功能。這個新型的50MIPS MCU擁有64 KB的靜態存儲器和256 KB的25 ns閃存，這種閃存支持實時控制系統所需的可確定性處理能力。

2 數據采集系統硬件設計

2．1 數據采集系統硬件設計結構圖

本文設計的基于AT91SAM7X的多路USB2．O數據采集系統主要由6部分組成，如圖1所示，分別是輸入信號接口模塊、多路信號放大模塊、信號調理模塊、數據采集處理模塊、USB2．O接口模塊和上位機模塊。其中，輸入信號接口模塊、多路信號放大模塊、信號調理模塊主要完成外部標準的一5～+5 V信號的隔離接人與變換。因為AT91SAM7X的ADC允許接入的轉換電壓范圍是O～3 V，所以上述3個過程的信號變換是必要的。本系統主要采用的變換手段為信號的差分放大，主要部分數據采集處理模塊和USB2．O接口模塊分別由 AT91SAM7X內置的ADC模塊和USB2．O模塊來完成。由于大部分的工作是在同一個芯片內部完成，只需通過簡單的寄存器設置和數據交換，即可完成數據的采集和傳輸過程，在很大程度上優化了系統的設計。

2．2 AT91SAM7X的ADC模塊介紹

AT91SAM7X的片內ADC是基于連續寄存器（SAR）模型，片內通過一個8到1的模擬復用器來實現8通道的模／數轉換。ADC輸入范圍是O V～ADVREF。ADC支持8位和10位兩種分辨率，可以通過軟件觸發、外部ADTRG觸發引腳、內部觸發定時器來啟動ADC?？梢酝ㄟ^配置ADC時鐘、啟動時間、采樣保持時間來提高ADC的精度。ADC不受電源管理器管理，有一個中斷源，如果用到ADC中斷信號，則需要配置中斷控制器（AIC）。

2．3 AT91SAM7X的USB2．O模塊介紹

AT91SAM7X具有內置的USB設備控制器，USB設備端口符合USB2．O全速器件規范，具有12 Mbps的通信速率。每個端點可以配置為幾種USB傳輸類型中的一種。USB設備自動檢測掛起與恢復，通過中斷來停止處理器。同時，為了配合USB設備的使用并發揮其最大性能，片內集成了328字節的雙口RAM。此雙口RAM的一個DPR段由處理器讀／寫，另一個DPR段由USB2．O外設讀／寫，從而有效地保證了數據傳輸的最大帶寬。

3 AT91SAM7X的配置與模塊編程

3．1 ADC模塊的配置與模塊編程

ADC模塊功能框圖如圖2所示。ADC模塊是基于逐次逼近寄存器（SAR）的10位模／數轉換器，集成了一個8到1的模擬多路復用器，可實現8路模擬信號的模／數轉換。轉換由O V到ADVREF。同時，ADC支持8位或10位分辨率模式，并且轉換結果進入一個所有通道可用的通用寄存器（即通道專用寄存器）中?？膳渲脼檐浖|發、外部觸發ADTRG引腳上升沿或內部觸發定時計數器輸出。ADC還集成休眠模式與轉換序列發生器，并與PDC通道連接。這些特性可降低功耗，減少處理器干涉。最后，用戶可配置ADC時間，如啟動時間以及采樣與保持時間。

系統設計中采用多點方式進行A／D轉換，ADVREF接3．O V的基準電壓。方便起見，以單點轉換為例，說明ADC模塊的配置與模塊編程。當然在A／D轉換之前，系統時鐘和整體的配置是必需的，此處只介紹ADC模塊相關的配置與模塊編程。先將與模／數轉換相關的所有寄存器清零，以保證所有寄存器都有確定值。具體配置過程和IAR程序代碼如下：

3．2 USB2．0模塊的配置與固件編程

USB2．0接口模塊如圖3所示。該模塊需要2個時鐘，即USB2．O器件端口時鐘和主時鐘。模塊通過APB總線接口訪問USB2．0器件端口．通過對 APB寄存器的8位值進行讀／寫以實現對存儲數據的雙口RAM的讀／寫。外部恢復信號可選，允許在系統模式下喚醒USB2．O器件端口外設，然后主機將通知請求恢復的器件。USB2．O接口進行枚舉時，該特性必須由主機處理。為保留檢查VBUS的I／O線，必須先對PIO的控制器編程，將該I／O配置為輸入PIO模式。USB2．O器件中有一條中斷線與高級中斷控制器AIC相連，因此，處理USB2．0器件中斷時，必須在配置USB2．0器件端口前對高級中斷控制器AIC編程。

本系統中使用USB2．0接口與上位機進行通信。為便于說明，此處以向上位機端通過USB2．0接口傳送O～9的數字，并循環10次為例，說明 USB2．0模塊的配置與同件編程。系統初始化完成后，此固件程序就通過USB2．0接口發送O～9的數字，循環10次后結束。具體的配置過程和IAR程序代碼如下：

注意：在USB2．0通信接121調試過程中，一定要將USB2．0固件程序下載到AT91SAM7X的F1ash中。這個過程可以通過ARM的地址重映射來完成，然后重新給USB2．0接口上電，因為只有在設備插入時上位機才檢測設備，并提示添加相應的驅動程序。如果開發人員調試的過程中只是將程序加載到RAM中，那么由于數據掉電不會保存，固件程序在下一次插入設備時就不會存在，無論在上位機添加何種驅動程序，上位機都不會接收到數據，這樣就會導致整個調試過程的失敗。

3．3 USB2．0的Windows應用程序設計

上位機部分通過Visual C++6．0程序實現與嵌入式硬件部分的USB通信。測試過程中，先將USB2．0固件程序下載到AT91SAM7X中，插上USB數據線，根據提示添加相應的驅動程序后直接運行設計好的Visual C++6．0程序。測試結果如圖4所示。

位機程序運行過程中首先檢查設備的連接情況，確認成功連接后開始接收USB2．0設備發送過來的數據。此處為循環10次的0～9的數字，如圖4所示，數據已經成功傳輸到了上位機端。

結語

本文設計了基于AT91SAMTX的多路USB2．0數據采集系統，以AT91SAM7X芯片為核心實現了數據信號的調理變換、采集和向上位機的傳輸。由于AT91SAM7X內置了ADC模塊和USB2．0設備接口，使得系統設計十分方便；同時由于無需使用大量的外擴芯片，使得硬件成本大幅降低，產品體積更小巧，穩定性方面也比外擴芯片的方式有較大幅度的提升。

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