基于AT91SAM7X微控制器实现数据采集系统的设计
作者：王普刚, 孟昭莉
目前工业和医疗上使用的USB设备，绝大部分是使用专用的USB芯片与微处理器相连的，特别是USB数据采集系统。根据不同的需求，通常也需要外扩一定数量的A／D转换器，接口非常复杂。有时甚至需要为了协调不同的时钟而外扩FIFO，这样的设计不但成本大幅提高，而且系统的稳定性受到了严重的威胁。本文使用Atmel公司开发的基于ARM的闪存微控制器AT91SAM7X芯片。芯片内部集成了8路10位ADC和USB2．O设备接口，单芯片即可完成设计任务，避免了复杂的接口电路设计，不但有效地解决了以上这些问题，而且在很大程度上提高了系统的稳定性。
1 AT91SAM7X数据采集主控芯片介绍
AT9lSAM7X是基于32位ARM7TDMI内核的微控制器。AT91SAM7X系列微控制器具备嵌入式10／100M以太网 （Ethernet）MAC、CAN、全速（12 Mbps）USB 2．O。针对广泛的网络化实时嵌入式系统而设计的AT9lSAM7X256还具备1个10位模／数转换器（ADC）、2个串行外围接口（SPI）、同步串行接口（SSC）、双线接口（TWI）、3个通用异步收发器（UART）、1个8级优先中断控制器（priority interrupt controller）和众多的监管功能。这个新型的50MIPS MCU拥有64 KB的静态存储器和256 KB的25 ns闪存，这种闪存支持实时控制系统所需的可确定性处理能力。
2 数据采集系统硬件设计
2．1 数据采集系统硬件设计结构图
本文设计的基于AT91SAM7X的多路USB2．O数据采集系统主要由6部分组成，如图1所示，分别是输入信号接口模块、多路信号放大模块、信号调理模块、数据采集处理模块、USB2．O接口模块和上位机模块。其中，输入信号接口模块、多路信号放大模块、信号调理模块主要完成外部标准的一5～+5 V信号的隔离接人与变换。因为AT91SAM7X的ADC允许接入的转换电压范围是O～3 V，所以上述3个过程的信号变换是必要的。本系统主要采用的变换手段为信号的差分放大，主要部分数据采集处理模块和USB2．O接口模块分别由 AT91SAM7X内置的ADC模块和USB2．O模块来完成。由于大部分的工作是在同一个芯片内部完成，只需通过简单的寄存器设置和数据交换，即可完成数据的采集和传输过程，在很大程度上优化了系统的设计。
2．2 AT91SAM7X的ADC模块介绍
AT91SAM7X的片内ADC是基于连续寄存器（SAR）模型，片内通过一个8到1的模拟复用器来实现8通道的模／数转换。ADC输入范围是O V～ADVREF。ADC支持8位和10位两种分辨率，可以通过软件触发、外部ADTRG触发引脚、内部触发定时器来启动ADC。可以通过配置ADC时钟、启动时间、采样保持时间来提高ADC的精度。ADC不受电源管理器管理，有一个中断源，如果用到ADC中断信号，则需要配置中断控制器（AIC）。
2．3 AT91SAM7X的USB2．O模块介绍
AT91SAM7X具有内置的USB设备控制器，USB设备端口符合USB2．O全速器件规范，具有12 Mbps的通信速率。每个端点可以配置为几种USB传输类型中的一种。USB设备自动检测挂起与恢复，通过中断来停止处理器。同时，为了配合USB设备的使用并发挥其最大性能，片内集成了328字节的双口RAM。此双口RAM的一个DPR段由处理器读／写，另一个DPR段由USB2．O外设读／写，从而有效地保证了数据传输的最大带宽。
3 AT91SAM7X的配置与模块编程
3．1 ADC模块的配置与模块编程
ADC模块功能框图如图2所示。ADC模块是基于逐次逼近寄存器（SAR）的10位模／数转换器，集成了一个8到1的模拟多路复用器，可实现8路模拟信号的模／数转换。转换由O V到ADVREF。同时，ADC支持8位或10位分辨率模式，并且转换结果进入一个所有通道可用的通用寄存器（即通道专用寄存器）中。可配置为软件触发、外部触发ADTRG引脚上升沿或内部触发定时计数器输出。ADC还集成休眠模式与转换序列发生器，并与PDC通道连接。这些特性可降低功耗，减少处理器干涉。最后，用户可配置ADC时间，如启动时间以及采样与保持时间。
系统设计中采用多点方式进行A／D转换，ADVREF接3．O V的基准电压。方便起见，以单点转换为例，说明ADC模块的配置与模块编程。当然在A／D转换之前，系统时钟和整体的配置是必需的，此处只介绍ADC模块相关的配置与模块编程。先将与模／数转换相关的所有寄存器清零，以保证所有寄存器都有确定值。具体配置过程和IAR程序代码如下：
3．2 USB2．0模块的配置与固件编程
USB2．0接口模块如图3所示。该模块需要2个时钟，即USB2．O器件端口时钟和主时钟。模块通过APB总线接口访问USB2．0器件端口．通过对 APB寄存器的8位值进行读／写以实现对存储数据的双口RAM的读／写。外部恢复信号可选，允许在系统模式下唤醒USB2．O器件端口外设，然后主机将通知请求恢复的器件。USB2．O接口进行枚举时，该特性必须由主机处理。为保留检查VBUS的I／O线，必须先对PIO的控制器编程，将该I／O配置为输入PIO模式。USB2．O器件中有一条中断线与高级中断控制器AIC相连，因此，处理USB2．0器件中断时，必须在配置USB2．0器件端口前对高级中断控制器AIC编程。
本系统中使用USB2．0接口与上位机进行通信。为便于说明，此处以向上位机端通过USB2．0接口传送O～9的数字，并循环10次为例，说明 USB2．0模块的配置与同件编程。系统初始化完成后，此固件程序就通过USB2．0接口发送O～9的数字，循环10次后结束。具体的配置过程和IAR程序代码如下：
注意：在USB2．0通信接121调试过程中，一定要将USB2．0固件程序下载到AT91SAM7X的F1ash中。这个过程可以通过ARM的地址重映射来完成，然后重新给USB2．0接口上电，因为只有在设备插入时上位机才检测设备，并提示添加相应的驱动程序。如果开发人员调试的过程中只是将程序加载到RAM中，那么由于数据掉电不会保存，固件程序在下一次插入设备时就不会存在，无论在上位机添加何种驱动程序，上位机都不会接收到数据，这样就会导致整个调试过程的失败。
3．3 USB2．0的Windows应用程序设计
上位机部分通过Visual C++++6．0程序实现与嵌入式硬件部分的USB通信。测试过程中，先将USB2．0固件程序下载到AT91SAM7X中，插上USB数据线，根据提示添加相应的驱动程序后直接运行设计好的Visual C++6．0程序。测试结果如图4所示。
位机程序运行过程中首先检查设备的连接情况，确认成功连接后开始接收USB2．0设备发送过来的数据。此处为循环10次的0～9的数字，如图4所示，数据已经成功传输到了上位机端。
结语
本文设计了基于AT91SAMTX的多路USB2．0数据采集系统，以AT91SAM7X芯片为核心实现了数据信号的调理变换、采集和向上位机的传输。由于AT91SAM7X内置了ADC模块和USB2．0设备接口，使得系统设计十分方便；同时由于无需使用大量的外扩芯片，使得硬件成本大幅降低，产品体积更小巧，稳定性方面也比外扩芯片的方式有较大幅度的提升。
