低轼耗数据采集系统的USB接口设计

摘要：介绍低功非法收入数据采集系统的USB通信接口设计方法。该设计以超低功耗单片机MSP430F13X为主控制芯片，为主控制芯片，连接Cygnal公司的UART转USB芯片CP2101，实现低功耗数据采集系统的USB接口设计。在IAR　Embedded　Workbench集成开发环境和VC 环境中，编辑单片机与主机的通信协议。该设计具有超低功耗、高集成度和设计简便等优点，适于便携式电子设备的开发应用。　关键词：超低功耗　MSP430　数据采集　USB接口设计引言实现系统运行的最小功耗是现代电子系统的普通取向，也是绿色电子的基本要求。采有最小功耗设计方法既能减少电子设备的使用功耗，又能减少备用状态下的功率消耗。在节省能源的同时还有利于减少电磁污染，有利于电子系统向便携式方向发展，有助于提高系统的可靠性。现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。在许多场合要求数据采集系统向便携化方向发展，要求系统具有体积小、功耗低、传输速率快、使用方便灵活等特点。在数据采集系统中，如何节省电能以使系统工作时间更长，如何通信才能使系统数据传输速度更快，已经成为系统开发过程中必须加以考虑的主要内容。微控制器MSP430的超低功耗技术在众多单片机中独树一帜，同时它具有集成高度等特点，因此，选用该控制器作为系统的主控制器，实现数据采集和Flash存储等功能。此外，USB端口与以往的普通端口（串口与并口）相比具有传输速度快、功耗低、支持即插即用、维护方便等优点；因此在通信设计时，结合UART转USB芯片CP2101以实现USB接口通信。上述设计既利用了MSP430的超低功耗特性，又利用了CP2101设计USB接口的简便性，设计得到的数据采集系统可以实现便携化、低功耗、使用方便等目标。1　MSP430数据采集系统的USB接口设计1．1　采信系统简介本系统实现多路数据的采集、Flash存储及USB通信等功能。单片机系统主要完成信息采集、A/D转换、对信号进行放大滤波处理、数据通信、Flash存储等；实时时钟记录采集数据的时间；CP2101实现USB接口，并把单片机采集到的信号传给微机；微机完成数据接收、存入数据库、数据处理、计算、显示等功能。1．2　超低功耗MSP430微控制器MSP430是TI公司近几年推出的16位系列单片机。它采用最新的低功耗技术，工作在1.8～3.6V电压下，有正常工作模式（AM）和4种低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4）；在电流电压为3V时，各种模式的工作电流分别为AM：340μA、LPM1：70μA、LPM2：17μA、LPM3：2μA、LPM4：0.1μA，而且可以方便地在各种工作模式之间切换。它的赶低功耗性在实际应用中，尤其是电池供电的便携式设备中表现尤为突出。在系统初始化后进入待机模式，当有允许的中断请求时，CPU将在6μ的时间内被唤醒，进入活动模式，执行中断服务程序。执行完毕，在RETI指令之后，系统返回到中断前的状态，继续低功耗模式。本设计采用MSP430F13X微控制器。它具有非常高的集成度，单片集成了多通道12位A/D转换、PWM功能定时器、斜边A/D转换、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口、大容量的片内RAM和ROM以及Flash存储器。其中Flash存储器可以实现掉电保护和软件升级。1．3　USB接口芯片选型通用串行总线USB是由Intel等厂商制定的连接计算机与具有USB接口的多种外设之间通信的串行总线。传统上，USB接口的开发较为复杂。在同其它USB接口芯片相比较之后，本设计选择了无需外部元件的UART转USB芯片CP2101。选择这种接口芯片，可使USB通信接口设计变得十分容易。与同类产品相比，CP2101具有以下优点：①具有较小的封装。CP2101为28脚5mm×5mm　MLP封装。这在PCB上的尺寸就比竞争对手小30%左右。②高度成度。片内集成512字节EEOROM（用于存储厂家ID等数据），片内集成收发器、无需外部电阻；片内集成时钟，无需外部晶体。③低成本，可实现USB转串口的解决方案。CP2101的USB功能无需外部元件，而大多数竞争者的USB器件则需要额外的终端晶体管、上拉电阻、晶振和EEPROM。具有竞争力的器件价格，简化的外围电路，无成本驱动支持使得CP2101在成本上的优势远超过竞争者的解决方案。④具有低功耗、高速度的特性，符合USB2.0规范，适合于所有的UART接口（波特率为300bps～921.6kbps）。工业级温度范围为-40℃～85℃）。2　USB通信的硬件接口电路硬件电路如图1所示。CP2101的SUSPEND与SUSPEND引脚接到MSP430F13X的普通串口上。这两个引脚传送USB挂起和恢复信号，此功能便于CP2101器件以及外部电路的电源管理。当在总线上检测到挂起信号时，CP2101将进入挂起模式，可以节省电能。在进入挂起模式时，CP2101会发出SUSPEND与SUSPEND信号。为了避免SUSPEND与SUSPEND在复位期间处于高电平，使用10kΩ的下拉电阻确保SUSPEND在复位期间处于低电平。CP2101的USB功能控制器管理USB和UART间所有的数据传输，以及由USB主控制器发出的命令请求以及用于控制UART功能的命令等。CP2101的UART接口处理所有的RS232信号，包括控制和握手信号。CP2101的VBUS与VREGIN引脚必须始终连到USB的VBUS信号上。在VREGIN的输入端加去耦电容（1μF与0.1μF并联）。CP2101与单片机接口是标准UART电平，与计算的USB端口连接是USB标准电路，因此，无论与3V还是5V供电的单片机连接都不需要电平转换。