基于USB接口的数据采集与控制系统设计

第17卷第6期
Vol.17No.6
2009年6月Jun.2009
电子设计工程
Electronic Design Engineering 收稿日期：2008-12-30
稿件编号：200812093
作者简介：柳兰(1970-)，女，湖南长沙人，工程师。

研究方向：智能控制及综合自动化。

1系统结构
利用ADuC845单片数据采集器件和CH341USB 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[1]。

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。

图1数据采集与控制系统框图
2USB 通信接口电路
USB 通信接口电路采用CH341[2]器件，图2为其电路。

图
2中，P3是USB 端口，USB 总线包括一对5V 电源线和一对
数据信号线。

通常+5V 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500mA ，CH341和低功耗的ADuC845直接使用USB 总线提供的5V 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C 13
和C 14用于时钟振荡电路。

Y2的频率是12MHz ，C 13和C 14是容量为15pF 的独石或高频瓷片电容。

V D1为工作状态指示灯，R 3为其限流电阻。

R 4是0Ω电阻（磁珠），它能实现滤波及保护。

C 12和C 11是独石或高频瓷片电容，C 12容量为1000pF
～0.01μF ，用于CH341内部电源节点退耦，C 11容量为0.1μF ，
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C 11和C 12
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]。

3数据采集与控制电路设计
数据采集与控制电路以ADuC845[3-4]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1k Ω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32.768kHz 晶振Y1，电容C 18和C 19根
基于USB 接口的数据采集与控制系统设计
柳兰，何娜，黄智伟
（南华大学电气工程学院，湖南衡阳421001）
摘要：利用ADuC845单片数据采集器件和CH341USB 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，60Hz 范围内有20位有效分辨率，失调漂移10nV/℃，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50b/s ～2Mb/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中图分类号：TP274.2
文献标识码：A
文件编号：1674-6236（2009）06-0038-03
Design of data collection and control system based on USB interface
LIU Lan,HE Na ,HUANG Zhi -wei
（School of Electrical Engineering University of South China,Hengyang 421001,China ）
Abstract:The single data collection chip ADuC845and the USB interface chip CH341constitute date collection and control system,The system has ten 24-bit A/D converter input channels,and has 20-bit effective resolution in the range of 60Hz,offset drift is 10nV/°C,12-bit voltage output D/A converter,dual 16-bit PWM output,8-channel switch input/output,besides,supporting full -speed device interface USB V1.1.The baud rate is from 50bps to 2Mbps in communications.The system is fit for data collection and control in medicine equipment,industrial control and so on.Key words :date collection ；A/D converter ；USB communication ；
ADuC845
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
4.1USB 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[5]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
HKR,,DevLoader,,*vcomm HKR,,PortDriver,,CH341SER.VXD HKR,,Contention,,*vcd HKR,,ConfigDialog,,serialui.dll
HKR,,DCB,3,1C,00,00,00,80,25,00,00,11,00,00,00,00,00,0A,00,0A,00,08,00,00,11,13,00,00,00,00,00
HKR,,PortSubClass,1,01
HKR,,EnumPropPages,,"serialui.dll,EnumProp -Pages"
HKR,,Enumerator,,serenum.vxd;//用于枚举接在串口
的即插即用设备，启动时将产生DTR 和RTS 信号
[CH341SER.AddReg]
HKLM,SOFTWARE\WinChipHead\IC\CH341SER,WDM,0x00010001,0x00000025
HKLM,SOFTWARE\WinChipHead\IC\CH341PORT,DLL,0x00010001,0x00000010
HKLM,SOFTWARE\WinChipHead\IC\CH341SER,Function,,"USB=>Serial"
HKLM,SYSTEM\CurrentControlSet\Services\CH341SER,
图2
USB 通信接口电路图3数据采集与控制电路
以看出，该方法准确完整地提取出了路面裂纹，没有受到路面标记的影响。

4结语
提出一种路面破损图像实时检测方法。

先对路面裂纹图像进行去模糊处理和裂纹特征分析，在此基础上,提出快速方法提取裂纹，对提取出的裂纹图像进行特征处理后，用参数描述裂纹的矢量信息和几何特性。

对大量采集的路面图像进行处理。

结果表明，该检测方法能正确快速提取路面图像的裂纹信息，具有较强的鲁棒性和实用性。

参考文献：
[1]XU BUGAO,HUANG YAXIONG.Development of automatic
pavement surface distress inspection system[R].Austin: Center for Transportation Research,the University of Texas at Austin,2005.[2]M C Andrade,G Bertrand,J C Everat.Segmentation of ceramical
micrographies by flooding simulation[J].A Catchment Basins Merging Algorithm Anais.do IX SIBGRAPI'.1996（96）:355-356.
[3]储江伟,初秀民,王荣本,等.沥青路面破损图像特征提取方
法研究[J].中国图象图形学报,2003,8A（10）：1211-1217.
[4]孙波成,邱延峻.路面裂纹图像处理算法研究[J].公路交通
科技,2008,25（2）:64-68.
[5]洪汉玉，喻九阳，陈以超，等.红外目标湍流退化图像的优
化复原算法[J].应用光学，2006，27（6）：510-515.
[6]Egemen Teomete,Viren R Amin,Halil Ceylan.Digital image
processing for pavement distress analyses[C].I owa:Procees-dings of the2005Mid-Continent Transportation Research Symposium.2005:1-13.
UserRemoval,0x00010001,0x00000001;//用于在系统托盘中显示“安全删除USB硬件设备”，便于用户手工删除硬件[CH341S98.AddReg]
HKLM,SOFTWARE\WinChipHead\IC\CH341SER,VXD, 0x00010001,0x00000022
[CH341SER_Install.NT.Services]
AddService=CH341SER,2,CH341SER.Service
[CH341SER.Service]
DisplayName="CH341SER"
ServiceType=1
StartType=3
ErrorControl=1
ServiceBinary=%10%\System32\Drivers\CH341SER.SYS
[DestinationDirs];//指定驱动安装目录及安装方式
DefaultDestDir=10,System32\Drivers
CH341S98.DelFiles.SYS=11
CH341SER.CopyFiles.SYS=10,System32\Drivers
CH341SER.NT.CopyFiles.SYS=10,System32\Drivers
CH341S98.CopyFiles.VXD=11
CH341SER.CopyFiles.DLL=11
4.2A/D采样程序
以下给出A/D采样程序的部分代码：
//采样AD
//入口：通道号
//出口：AD采样值
unsigned int sample_chx(char ch)
{unsigned char i;
unsigned int arg;
ADCCON2=ch;//选择通道数
for(i=20;i!=0;i--);//作短暂延时
arg=0;//对采样值寄存器进行清零
for(i=0;i<2;i++)//采样循环
{SCONV=1;//进行采样
while(SCONV);//等待采样结束
arg+=(ADCDATAH&0x0f)*256|ADCDATAL;
//对采样值整合转换
}
return(arg/2);//返回两次采样值的平均值
}
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（10nV/℃），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。

参考文献：
[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：北京
航空航天大学出版社，2006.
[2]南京沁恒电子有限公司.USB总线转接器件CH341[EB/OL].
2008./product/ch341detail.htm.
[3]Analog Devices,Inc.ADuC845/ADuC847/ADuC848Data sheet
[EB/OL].2008./en/analog-microcontroll ers/aduc845/products/product.html.
[4]李刚,林凌.ADuC845单片机原理开发方法及应用实例[M].
北京:电子工业出版社,2006.
[5]胡晓军，张爱成.USB接口开发技术[M].西安：西安电子科
技大学出版社，2005.
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