专利名称：一种三合一usb数据采集卡的制作方法
技术领域：
本发明属于电数字数据处理领域，尤其涉及一种数据采集装置。
背景技术：
数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和/或数字被测单元中自动采非 电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理。 数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实 现灵活的、用户自定义的测量系统。 通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号，包括对其进行增益或衰减 和隔离、放大、滤波等，对待某些种类的传感器，还需要提供激励信号。 数据采集卡，即实现数据采集功能的计算机扩展卡，其可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394) 、 PCMCIA、 ISA、 Compact Flash、485、232、以太网或各种无线网络等总 线方式接入上位计算机。 在工业现场，通常会安装很多的各种类型的传感器，例如压力的、温度的、流量 的、声音的或各种电参数的等等；受现场环境的限制，传感器的信号，如压力传感器输出 的电压或者电流信号，不能远传或者因为传感器布线太多或复杂，我们就会选用分布式或 者远程的采集卡(或模块)，在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后再通过各种远传 通信技术(如485、232、以太网、各种无线网络)把数据传到计算机或者其他控制器中进行 处理；这也可算作数据采集卡的一种，只是它对环境的适应能力更强，可以应对各种恶劣的 工业环境。 在实际应用中，数据采集卡绝大多数集中在采集模拟量、数字量、热电阻或热电偶 等参数的采集、处理过程中，其中热电阻可以认为是非电量(其实本质上还是要用电流驱 动来采集)；其中，模拟量采集卡和数字量采集卡用得是最广泛的。 公告日为2007年4月4日，公告号为CN2886657Y的中国实用新型专利，公开了一 种"基于USB2. 0的数据采集卡"，其包括数据传输模块，模数转换模块和电源转换模块三部 分。数据传输模块采用集成了 USB2. 0收发器，串行接口引擎，低功耗、增强型8051控制器 和一个可编程外围接口 (GPIF)，并具有程序/数据RAM的USB2.0控制器芯片。模数转换模 块与数据传输模块中控制器芯片的GPIF接口相连。电源转换芯片采用专用的电源转换芯 片，使接口简单，从而不需要外接电源，适合现场工作需要，同时也保证了系统的可靠性。
在上述技术方案中，其USB收发器仅仅用于其与PC机之间进行数据传输以及数据 采集卡从PC机中取得工作电源，并未能充分发挥USB模块的功效。 所以，现有的数据采集卡都需要与计算机配合使用，不能独立地进行工作，且不能 将大容量的数据内容直接存储至外接可移动式存储器。 从另一方面讲，现有的数据采集卡均仅仅具有数据采集/变换功能，而无控制其 他装置的功能，使得其应用范围带有很大的局限性，不能满足飞速发展的自动化控制系统/ 领域的需要，亦无法满足某些特定控制/应用场合的使用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种三合一USB数据采集卡，其除了具有常规 的数据采集/变换/输出的功能之外，还具有可选择的独立/半独立工作模式，可将大容量 的数据内容直接存储至外接可移动式存储器，还可在指定条件下发出相应的同步信号去控 制其他装置，使得数据采集卡的应用范围得到大大的扩展和发挥，可极大地丰富和完善现 有装置/系统的控制手段和自动化程度。 本发明的技术方案是提供一种三合一 USB数据采集卡，包括模_数转换电路，其 特征是设置一微控制器控制电路、一工作模式切换开关、一 USB主/外围控制器控制电路 和第二USB接口 ；所述的微控制器控制电路附带有第一USB接口 ；所述的微控制器控制电 路经通用CPU总线与所述模_数转换电路以及所述USB主/外围控制器控制电路连接；所 述的USB主/外围控制器控制电路与第二 USB接口对应连接；所述的微控制器控制电路根
据由工作模式切换开关动触头输入电平信号的高低，决定数据采集卡的工作模式；所述数 据采集卡的工作模式包括独立主机工作模式、从机工作模式和视频功能模式；所述数据采 集卡的I/O端口 ，依次与微控制器控制电路及模_数转换电路的对应I/O端口连接，构成数 据采集和控制通道。 所述的第一USB接口与PC机的USB端口、一个USB电源适配器或一个带有USB接 口的电池连接。 所述的第二 USB接口用于外接一具有USB接口形式的可移动式存储器。
具体的，具有USB接口形式的可移动式存储器为U盘或闪存卡。
所述的通用CPU总线为SPI总线结构。 当所述的三合一 USB数据采集卡处于独立主机工作模式时，所述的第一 USB接口 与USB电源适配器或带有USB接口的电池连接，为整个数据采集卡提供电源；所述的第二 USB接口与所述的可移动式存储器连接，在所述微控制器控制电路的控制下，将通过数据采 集卡的1/0端口采集到的数据存入可移动式存储器中，构成一个独立的U盘存储数据记录 仪；所述的微控制器控制电路可通过其1/0端口，输出一个同步触发信号，来控制其他的仪 器作同步测量。 进一步的，当上述的三合一 USB数据采集卡用于视频功能模式时，在所述微控制 器控制电路的控制下，数据采集卡通过通用CPU总线控制模_数转换电路进行模拟信号量 的采集；在每次开始通过采集模拟量的同时，所述微控制器控制电路利用其DIO功能端口， 发出一个同步脉冲信号，用来同步和触发带有外触发端口的外接视频设备，以达到数据采 集和拍照的同步控制功能。 当所述的三合一 USB数据采集卡处于从机工作模式时，其所述的第一 USB接口与 PC机的USB端口连接，作为获得电源和数据交换的通道；在所述微控制器控制电路的控制 下，将通过数据采集卡的I/0端口采集到的数据传输到PC机内的存储装量中，构成一个多 功能数据采集卡；所述的微控制器控制电路可通过其1/0端口，接收一个外部的同步触发 信号，受其他仪器的控制，作数据的同步采集。 进一步的，当上述的三合一 USB数据采集卡用于视频功能模式时，通过PC机内的 控制程序，检测外接视频设备传送来的图像信息，在采集到每帧图像的同时，PC机内的控制程序通过PC机的USB端口和数据采集卡的第一 USB接口 ，从数据采集卡中读取当前采集到 的模拟信号量，以适应没有外触发端口的视频设备，达到拍照和数据采集的同步控制功能。
更具体的，所述的微控制器控制电路至少包括一个微处理器芯片CPU及其外围电 路；所述的USB主/外围控制器控制电路至少包括一个USB控制芯片及其外围电路；所述的 模_数转换电路至少包括一个A/D转换电路芯片；所述的微处理器芯片CPU、 USB控制芯片 和A/D转换电路芯片之间通过SPI总线结构连接。 更进一步地，所述微处理器芯片CPU的SDO功能端口 ，与USB控制芯片的SDI功能 端口以及A/D转换电路芯片的DIN功能端口分别对应连接；所述微处理器芯片CPU的SDI 功能端口 ，与USB控制芯片的SDO功能端口以及A/D转换电路芯片的DOUT功能端口分别对 应连接；所述微处理器芯片CPU的SCK功能端口 ，与USB控制芯片的SCLK功能端口以及A/ D转换电路芯片的CLK功能端口分别对应连接；所述微处理器芯片CPU的RB2功能端口 ，与 USB控制芯片的CS功能端口对应连接；所述微处理器芯片CPU的RB3功能端口 ，与A/D转 换电路芯片的CS功能端口对应连接； 所述的微处理器芯片CPU通过CS功能端口 ，利用RB2和RB3端口 ，交替切换微处 理器芯片CPU与USB控制芯片和A/D转换电路芯片之间的SPI总线数据交换，实现交替/ 分别进行数据采集和将数据存储入可移动式存储器的运行功能和目的。
与现有技术比较，本发明的优点是 1.通过设置第二USB接口及其相应的控制电路，使得本数据采集卡除了具有常规 的数据采集/变换/输出的功能之外，还具有了可选择的独立/非独立工作模式(亦称为 独立主机/从机工作模式)，可将大容量的数据内容直接存储至外接可移动式存储器，还可 在指定条件下发出相应的同步信号去控制其他装置，使得数据采集卡的应用范围得到大大 的扩展和发挥，可极大地丰富和完善现有装置/系统的控制手段和自动化程度；
2.由于采用了高集成化电路芯片，使得整个采集卡的电路拓扑结构大大简化，外 围电路元件相应减少，整个采集卡的功能大大提高，工作稳定性增加，更能适应各种恶劣的 工作环境； 3.由于微处理器芯片的引入，将内部程序设计、对外应用程序接口的概念和方法 引入到采集卡中，极大地丰富了数据采集卡可实现的控制功能和数据处理能力，为数据处 理和自动化控制能力的提高创造了条件。
图1是本发明的电功能模块构成示意方框图；
图2是本发明各芯片之间连接线路示意图。 图中1为模-数转换电路，2为微控制器控制电路，3为工作模式切换开关，4为USB 主/外围控制器控制电路，5为第二 USB接口 ， 6为第一 USB接口 ， 7和8为通用CPU总线，9 和9'为数据采集卡的I/O端口 ， 10为外接U盘。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。 图1中，本三合一 USB数据采集卡，包括模_数转换电路1 ，其发明点在于设置了 一个微控制器控制电路2、一个工作模式切换开关3、一个USB主/外围控制器控制电路4和 一个第二USB接口 5 ;其中，微控制器控制电路附带有第一USB接口 6 ;微控制器控制电路经 通用CPU总线7、8与模-数转换电路以及USB主/外围控制器控制电路连接；USB主/外 围控制器控制电路与第二 USB接口对应连接；微控制器控制电路根据由工作模式切换开关 动触头输入电平信号的高低，决定数据采集卡的工作模式；数据采集卡的工作模式包括独 立主机工作模式、从机工作模式和视频功能模式；数据采集卡的1/0端口 9和9'，依次与微 控制器控制电路及模_数转换电路的对应I/O端口连接，构成数据采集和控制通道。
数据采集卡的第一USB接口与PC机的USB端口、一个USB电源适配器或一个带有 USB接口的电池连接。 数据采集卡的第二 USB接口用于外接一具有USB接口形式的可移动式存储器10。
具体的，具有USB接口形式的可移动式存储器可以为U盘或闪存卡。
其通用CPU总线为SPI总线结构。 数据采集卡的I/0端口 (为了便于表示和叙述，本图中将其分为左右两部分，实 际应用时不局限于此，可将其合并为一整体或分为更多部分)，依次与微控制器控制电路及 模_数转换电路的对应I/O端口连接，构成数据采集和控制通道。 由图1可见，图中左侧的数据采集卡I/O端口与模_数转换电路之间，设置有8路 数据输入线，与微控制器控制电路之间设置有4路双向数字I/O线和一个同步触发信号输 入线路；微控制器控制电路与模-数转换电路之间采用SPI总线方式进行双向通讯和信号 传输。 图中右侧的数据采集卡1/0端口 9'与微控制器控制电路之间，设置有12路双向 数字I/O线、一个16-Bit计数器、两个10-bit P丽脉宽调制输出口和一个同步触发信号输 出线路。 微控制器控制电路与USB主/外围控制器控制电路之间，采用SPI总线方式进行 双向通讯和信号传输。 USB主/外围控制器控制电路经符合USB 1. 0或USB2. 0规范的数据线结构线路， 与第二 USB接口及经由第二 USB接口与外接可移动式存储器连接。 由于引入了微处理器电路和USB主/外围控制器控制电路与第二 USB接口，使得 本数据采集卡除了具有常规的数据采集/变换/输出的功能之外，还具有了可选择的独立/ 非独立(又称为从机)工作模式，可将大容量的数据内容直接存储至外接可移动式存储器， 还可在指定条件下发出相应的同步信号去控制其他装置，使得数据采集卡的应用范围得到 大大的扩展和发挥。 当本三合一 USB数据采集卡处于"独立主机"工作模式时，第一 USB接口与USB电
源适配器或带有USB接口的电池连接，为整个数据采集卡提供电源；第二 USB接口与外接可
移动式存储器连接，在微控制器控制电路的控制下，将通过数据采集卡的1/0端口采集到
的数据存入可移动式存储器中，构成一个独立的U盘存储数据记录仪。 此外，根据不同的控制要求，在软件程序的流程控制下，微控制器控制电路还可通
过其1/0端口，输出一个同步触发信号(即通常所说的"trigger out"信号)，来控制其他
的仪器作同步测量。 具体的，数据采集卡用于视频功能模式时，在微控制器控制电路的控制下，数据采集卡通过通用CPU总线控制模_数转换电路进行模拟信号量的采集；在每次开始通过采集
模拟量的同时，微控制器控制电路利用其DIO功能端口，发出一个同步脉冲信号，用来同步
和触发带有外触发端口的外接视频设备，以达到数据采集和拍照的同步控制功能。 当本三合一 USB数据采集卡处于"从机"工作状态时，其第一 USB接口与PC机的
USB端口连接，作为获得电源和数据交换的通道；在微控制器控制电路的控制下，将通过数
据采集卡的I/0端口采集到的数据传输到PC机内的存储装置中，构成一个多功能數据采集
卡；微控制器控制电路可通过其1/0端口，接收一个外部的同步触发信号，受其他仪器的控
制，作数据的同步采集。 此时，常规视频设备(诸如USB网络相机或Firewire相机)直接与PC机的USB 接口连接，在PC机内控制程序的功能控制下，实现数据采集和视频AVI文件的同步控制、同 步显示、同步记录或同步回放，此时的同步触发信号"trigger out"用来控制其他设备一起 作同步测量。 具体的，通过PC机内的控制程序，检测外接视频设备传送来的图像信息，在采集 到每帧图像的同时，PC机内的控制程序通过PC机的USB端口和数据采集卡的第一 USB接 口 ，从数据采集卡中读取当前采集到的模拟信号量，以适应没有外触发端口的视频设备，达 到拍照和数据采集的同步控制功能。 关于利用PC机内的控制程序，达到拍照和数据采集的同步控制功能的具体方式， 可参考本申请人此前申请的、申请号为CN 200910046967. 2的专利申请的相关内容，在此 不再叙述。 图2中，其微控制器控制电路至少包括一个微处理器芯片CPU及其外围电路；其 USB主/外围控制器控制电路至少包括一个USB控制芯片及其外围电路；其模_数转换电 路至少包括一个A/D转换电路芯片；微处理器芯片CPU、 USB控制芯片和A/D转换电路芯片 之间通过SPI总线系统连接。 进一步地，微处理器芯片CPU的SDO功能端口 ，与USB控制芯片的SDI功能端口以 及A/D转换电路芯片的DIN功能端口分别对应连接；所述微处理器芯片CPU的SDI功能端 口 ，与USB控制芯片的SDO功能端口以及A/D转换电路芯片的DOUT功能端口分别对应连接； 所述微处理器芯片CPU的SCK功能端口 ，与USB控制芯片的SCLK功能端口以及A/D转换电 路芯片的CLK功能端口分别对应连接；所述微处理器芯片CPU的RB2功能端口 ，与USB控制 芯片的CS功能端口对应连接；所述微处理器芯片CPU的RB3功能端口 ，与A/D转换电路芯 片的CS功能端口对应连接。 微处理器芯片CPU通过CS功能端口 ，利用RB2和RB3端口 ，交替切换微处理器芯 片CPU与USB控制芯片和A/D转换电路芯片之间的SPI总线数据交换，实现交替/分别进 行数据采集和将数据存储入可移动式存储器的运行功能和目的。 SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU(或CPU)芯片与各种外围设 备以串行方式进行通信以交换信息。 SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口 ，该接口 一般 使用4条线串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数 据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、 有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。
SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设 备中，至少有一个主控设备。 这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续 传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主 控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK 时钟线的控制可以完成对通讯的控制。 由于SPI总线为成熟技术，故其具体工作原理和传输/控制过程在此不再详述。
上述的微控制器控制电路可以选用18F4550或MSP430F449或与之功能相近/相 同的集成电路芯片；USB主/外围控制器控制电路可以选用Vinculum或uPD720150或与之 功能相近/相同的集成电路芯片；模_数转换电路可以选用MCP3208或ADS1232或与之功 能相近/相同的集成电路芯片，其他无特殊要求。 由于上述功能电路、集成电路芯片均为成熟技术，其各芯片的具体/标准应用电 路在其生产厂商的网站或随机赠送的资料中均有，所以其具体连接线路、工作原理和信号 控制流程，在此不再详述；本领域的普通技术人员，在领会和掌握了本发明的发明思路和创 新要点后，完全可以不经过创造性的劳动，再现本申请的技术方案，实现其发明目的和取得 相同的技术效果。 本数据采集卡将由PC机控制的USB数据采集卡、可独立运行的U盘存储数据记录 仪以及摄像头同步录像功能集成于一体，实现了 "三合一"的多功能。 由于采用了上述技术方案，本数据采集卡除了具有常规的数据采集/变换/输出 的功能之外，还具有可选择的独立/非独立工作模式，可将大容量的数据内容直接存储至 外接可移动式存储器，还可在指定条件下发出相应的同步信号去控制其他装置，整个采集 卡的功能大大提高，工作稳定性增加，使得数据采集卡的应用范围得到大大的扩展和发挥， 极大地丰富了数据采集卡可实现的控制功能和数据处理能力。 需要注意的是，上述提及的专利文献/文件只应看作有助于对本申请技术方案的 理解，而不应看作是对本申请某些部分的某种限制。 本领域的普通技术人员，在领会和掌握了本发明的基本发明思路后，完全可以不
经过创造性的劳动，在本发明所公开的技术方案的基础上，做出各种等同的或相似的技术
方案，这些等同的或相似的技术方案也应看作是本发明所请求保护的范围。 应当认识到，只要在本发明的实质精神范围内，对以上各实施例的变化或变形，都
将落在本申请之权利要求所要求的保护范围内。 本发明可广泛用于工业过程控制和工业过程监控领域。
权利要求
一种三合一USB数据采集卡，包括模-数转换电路，其特征是设置一微控制器控制电路、一工作模式切换开关、一USB主/外围控制器控制电路和第二USB接口；所述的微控制器控制电路附带有第一USB接口；所述的微控制器控制电路经通用CPU总线与所述模-数转换电路以及所述USB主/外围控制器控制电路连接；所述的USB主/外围控制器控制电路与第二USB接口对应连接；所述的微控制器控制电路根据由工作模式切换开关动触头输入电平信号的高低，决定数据采集卡的工作模式；所述数据采集卡的工作模式包括独立主机工作模式、从机工作模式和视频功能模式；所述数据采集卡的I/O端口，依次与微控制器控制电路及模-数转换电路的对应I/O端口连接，构成数据采集和控制通道。
2. 按照权利要求1所述的三合一 USB数据采集卡，其特征是所述的第一 USB接口与PC 机的USB端口 、一个USB电源适配器或一个带有USB接口的电池连接。
3. 按照权利要求1所述的三合一 USB数据采集卡，其特征是所述的第二 USB接口用于 外接一具有USB接口形式的可移动式存储器。
4. 按照权利要求1所述的三合一USB数据采集卡，其特征是所述的通用CPU总线为SPI 总线结构。
5. 按照权利要求1所述的三合一 USB数据采集卡，其特征是当所述的三合一 USB数据 采集卡处于独立主机工作模式时，所述的第一 USB接口与USB电源适配器或带有USB接口 的电池连接，为整个数据采集卡提供电源；所述的第二 USB接口与所述的可移动式存储器连接，在所述微控制器控制电路的控制下，将通过数据采集卡的i/o端口采集到的数据存入可移动式存储器中，构成一个独立的U盘存储数据记录仪；所述的微控制器控制电路可 通过其1/0端口，输出一个同步触发信号，来控制其他的仪器作同步测量。
6. 按照权利要求5所述的三合一 USB数据采集卡，其特征是当所述的三合一 USB数据 采集卡用于视频功能模式时，在所述微控制器控制电路的控制下，数据采集卡通过通用CPU 总线控制模_数转换电路进行模拟信号量的采集；在每次开始通过采集模拟量的同时，所述微控制器控制电路利用其DIO功能端口 ，发 出一个同步脉冲信号，用来同步和触发带有外触发端口的外接视频设备，以达到数据采集 和拍照的同步控制功能。
7. 按照权利要求1所述的三合一 USB数据采集卡，其特征是当所述的三合一 USB数据 采集卡处于从机工作模式时，其所述的第一 USB接口与PC机的USB端口连接，作为获得电 源和数据交换的通道；在所述微控制器控制电路的控制下，将通过数据采集卡的IA)端口 采集到的数据传输到PC机内的存储装置中，构成一个多功能数据采集卡；所述的微控制器 控制电路可通过其I/O端口 ，接收一个外部的同步触发信号，受其他仪器的控制，作数据的 同步采集。
8. 按照权利要求7所述的三合一 USB数据采集卡，其特征是当所述的三合一 USB数据 采集卡用于视频功能模式时，通过PC机内的控制程序，检测外接视频设备传送来的图像信 息，在采集到每帧图像的同时，PC机内的控制程序通过PC机的USB端口和数据采集卡的第一 USB接口 ，从数据采集卡中读取当前采集到的模拟信号量，以适应没有外触发端口的视 频设备，达到拍照和数据采集的同步控制功能。
9. 按照权利要求1所述的三合一 USB数据采集卡，其特征是所述的微控制器控制电路 至少包括一个微处理器芯片CPU及其外围电路；所述的USB主/外围控制器控制电路至少 包括一个USB控制芯片及其外围电路；所述的模_数转换电路至少包括一个A/D转换电路 芯片；所述的微处理器芯片CPU、USB控制芯片和A/D转换电路芯片之间通过SPI总线结构 连接。
10. 按照权利要求9所述的三合一 USB数据采集卡，其特征是所述微处理器芯片CPU的 SDO功能端口 ，与USB控制芯片的SDI功能端口以及A/D转换电路芯片的DIN功能端口分别 对应连接；所述微处理器芯片CPU的SDI功能端口 ，与USB控制芯片的SDO功能端口以及A/ D转换电路芯片的DOUT功能端口分别对应连接；所述微处理器芯片CPU的SCK功能端口 ， 与USB控制芯片的SCLK功能端口以及A/D转换电路芯片的CLK功能端口分别对应连接；所 述微处理器芯片CPU的RB2功能端口 ，与USB控制芯片的CS功能端口对应连接；所述微处 理器芯片CPU的RB3功能端口，与A/D转换电路芯片的CS功能端口对应连接；所述的微处理器芯片CPU通过CS功能端口 ，利用RB2和RB3端口 ，交替切换微处理器 芯片CPU与USB控制芯片和A/D转换电路芯片之间的SPI总线数据交换，实现交替/分别 进行数据采集和将数据存储入可移动式存储器的运行功能和目的。
全文摘要
一种三合一USB数据采集卡，属数据处理领域。包括模-数转换电路，其特征是设置有附带有第一USB接口的微控制器控制电路、工作模式切换开关、USB主/外围控制器控制电路和第二USB接口，微控制器控制电路经通用CPU总线与模-数转换电路以及USB主/外围控制器控制电路连接，USB主/外围控制器控制电路与第二USB接口对应连接；微控制器控制电路根据由工作模式切换开关动触头输入电平信号的高低，决定数据采集卡的工作模式。其除了具有常规的数据采集/变换/输出功能之外，还可将大容量的数据内容直接存储至外接可移动式存储器，使得数据采集卡的应用范围得到大大的扩展和发挥，可广泛用于工业过程控制和工业过程监控领域。
文档编号G06F13/38GK101719169SQ20091022633
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者何长缨 申请人:锐选自动化科技(上海)有限公司