一、引言
工业控制等场合往往需要用PC或工控机对各种数据进行采集，通常数据采集系统是通过串行口、并行口或内部总线等与计算机连接的，但是它们都有一个共同的缺点，即安装不太方便，灵活性受到限制。目前USB接口已经成为计算机的标准设备，它具有通用、高速、支持热插拔等优点，非常适合在数据采集中应用。一般USB开发需要熟悉USB标准，FIRMWARE编程，驱动编程等，这对于没有USB经验的开发者有一走的困难。采用USBI00模块开发USB数据采集系统，开发者无需编写驱动程序，只需具备一定的单片机知识和PC应用程序的知识。就可以很快的开发USB接口的数据采集产品。
二、USB在数据采集中的应用
（一）USB的主要优点
1．速度快 USB有高速和低速两种方式，主模式为高速模式，速率为12Mbps.另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等，USB还提供低速万式，速率为1.5Mb/s。
2．设备安装和配置容易 安装USB设备不必再打开机箱，无需关闭计算机。所有USB设备支持热插拔，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了过去的跳线和拔码开关设置。
3．易于扩展 通过使用Hub扩展可连接多达127个外设。
4．能够采用总线供电 USB总线提供最大达5V电压、500mA电流。2.2 USB用于数据采集。
目前常见的采用板卡做数据采集。不仅安装麻烦，易受机箱内环境的干扰，而且由于受计算机插槽数量和地址，中断资源的限制，不可能挂接很多设备USB的出现，很好的解决了这些冲突，是实现数据采集的较好选择。
三、数据采集系统硬件构成
一个实用的数据采集系统一般包括电源模块，信号处理模块，微处理器，USB通讯模块几部分，图I是一个典型的USB数据采集系统组成结构方框图。
在微处理器和USB接口的选择上主要有两种方式，一种方案是采用具备USB通信功能的单片机。随着USB应用的日益广泛，Intel, SGS-Tomson, Cypress, Philips等芯片厂商都推出了具备USB通信接口的单片机。这些单片机处理能力强，有的本身就具备多路A/D,构成系统的电路简单，调试方便，是构成USB数据采集系统较好的方案，但是由于具备了USB接口，这些芯片与过去的开发系统通常是不兼容的，需要购买新的开发系统，投资较高。另一种是采用普通单片机加专用USB通信芯片。从成本上考虑，笔者采用了第二种方案，选用Atmel公司的89C51单片机和讯通公司的USB100芯片构成系统。89c51这种普通单片机价格便宜，而由于USB100模块对通讯协议进行了转换封装，开发时无需自己编写驱动程序，设计和调试起来也并不困难。
（一）电源模块
这一部分提供其它模块所需供电。USB的一大优点是可以提供电源，所以只需考虑电路中其它芯片的供电要求，一般数据采集设备耗电量不大，用低功耗低压差集成线性电源芯片即可。
（二）信号处理模块
这一模块将传感器采集过来的电压信号进行滤波，放大，以及进行A/D转换然后送入单片机，可以沿用传统的设计方法，综合考虑采集的精度、速率、通道数来选择芯片和设计电路。依据传感器发送的信号范围以及A/D转换芯片的接收电压范围来确定放大倍数，决定是采用单级放大还是多级放大，设计相应的放大电路。另外，根据信号的频率要求，设计滤波电路。对于多路采集，还需要加入相应的开关电路，使得微处理器能够分时处理多路信号。
笔者在人体姿态平衡仪器的设计中，前端三个传感器发送的信号在-20mV～+20mV,频率要求小于200Hz。由于系统对采集精度和速率较高，因此笔者选用了高精度的ADS774芯片，ADS774是8路12位的A/D转换芯片，双极性输入时转换电压范围-5V～+5V,它转换速度快，能够实现高速高精度数据采集的要求。这样，在信号处理部分就采用了两级放大，放大250倍后送入ADS774进行数据转换。另外在放大电路中加上一阶有源低通滤波电路，滤掉高频千扰口。
（三）通讯模块
这一部分主要是USB内部芯片和外围电路，用来实现单片机与计算机的通讯。笔者选用了讯通公司的USB 100芯片USB100芯片是目前开发最为方便的USB接口产品之一。它内部封装了USB11协议以及300字节的内部FIFO，八位并行数据接口，它的最大优点是完成了全部协议的转换和封装，使得开发的过程变得简单，对USB的操作变成了类似于对外部存储器的操作。
图2是USBI00芯片与接口插头的连接图。D＋和D-用以在插座和芯片间传输数据。DO～D7是USB100的8位双向I/O口，与单片机的8位端口相连，用于传输数据USB100模块的WR, RD, IXE, RXF与单片机的I/O口相连，但因为时序不同，USB100的WR、RD不能用单片机的WR与RD进行控制、应用单片机I/O进行控制。单片机根据FXE,RXF的状态进行数据的收发。
发送数据：当单片机检测到USB100模块IXE为低时，表示内部发送缓冲区允许发送数据到USB端口，可以将数据通过八位数据总线发送给USB100模块，发送数据锁存由WR控制（沿触发）；USB100模块TXE为高时，禁止发送数据发送时序如图3所示.
接收数据：当单片机检测到USB100模块RXF为低时，表示内部接收缓冲区有来自USB端口得数据，可以通过八位数据总线将数据读入发给USB100模块，接收数据锁存由RD控制〔沿触发〕，接收时序图如图4所示。
（四）中央处理器模块
中央处理器对A/D转换、通讯、通道选择进行控制。笔者采用了89C51单片机，它体积小，重量轻，价格便宜。51系列单片机的开发应用已经非常成熟，读者可以参考一般的51开发方法，这里不再介绍。
四、数据采集系统编程
系统软件包括89C51单片机软件和计算机界面与数据处理软件两部分。
通讯部分采用单机通讯协议的方式编程，这样能够保证数据传输更加稳定可靠。一种选择是以PC为主机，MCU为从机，另一种是以MCU为主机，PC为从机。笔者采用的是前一种方案，PC作为主机发送请求，MCU给出应答程序主要流程如图5所示。
（一）89C51单片机程序
在初始化了各种参数之后，开始不断的循环，查询USB100端口，当查询到USB100端口有数据收到，并且该数据代表采集指令时，开始执行数据采集，否则继续循环。程序用汇编语言或者C语言都可以，笔者采用的是C语言编程。
（二）PC机程序
PC机程序可分为通讯程序及数据处理两部分，数据处理部分不同应用各不相同，这里只介绍通讯部分。在PC上安装USB100专用驱动后，PC会增加一个虚拟端口（如串口3），此端口对应USB端口，可以完全按照串口的方式操作USB端口发送和接收数据，区别只是设走的通讯速率无效，USB 100按默认最高速率（8Mb/s）工作编写程序时。完全可以按照一般串口编程方法，无需DDK编程笔者采用的是在VC下,Mscomm控件编程.使用控件编程的特点是程序比较简单，但是如果需要较高的通讯效率，建议采用VC调用API的方式也可以采用DELPHI, VB等编程语言。
五、结语
笔者在人体姿态平衡仪的开发中，采用普通单片机89C51和USB100专用模块组成数据采集系统，在使用中运行可靠，测量准确.用该方法开发USB数据采集系统，在满足性能要求的同时，也使系统的设计更为方便决捷。
接收数据：当单片机检测到USB100模块RXF为低时，表示内部接收缓冲区有来自USB端口得数据，可以通过八位数据总线将数据读入发给USB100模块，接收数据锁存由RD控制〔沿触发〕，接收时序图如图4所示。
（四）中央处理器模块
中央处理器对A/D转换、通讯、通道选择进行控制。笔者采用了89C51单片机，它体积小，重量轻，价格便宜。51系列单片机的开发应用已经非常成熟，读者可以参考一般的51开发方法，这里不再介绍。
四、数据采集系统编程
系统软件包括89C51单片机软件和计算机界面与数据处理软件两部分。
通讯部分采用单机通讯协议的方式编程，这样能够保证数据传输更加稳定可靠。一种选择是以PC为主机，MCU为从机，另一种是以MCU为主机，PC为从机。笔者采用的是前一种方案，PC作为主机发送请求，MCU给出应答程序主要流程如图5所示。
（一）89C51单片机程序
在初始化了各种参数之后，开始不断的循环，查询USB100端口，当查询到USB100端口有数据收到，并且该数据代表采集指令时，开始执行数据采集，否则继续循环。程序用汇编语言或者C语言都可以，笔者采用的是C语言编程。
（二）PC机程序
PC机程序可分为通讯程序及数据处理两部分，数据处理部分不同应用各不相同，这里只介绍通讯部分。在PC上安装USB100专用驱动后，PC会增加一个虚拟端口（如串口3），此端口对应USB端口，可以完全按照串口的方式操作USB端口发送和接收数据，区别只是设走的通讯速率无效，USB 100按默认最高速率（8Mb/s）工作编写程序时。完全可以按照一般串口编程方法，无需DDK编程笔者采用的是在VC下,Mscomm控件编程.使用控件编程的特点是程序比较简单，但是如果需要较高的通讯效率，建议采用VC调用API的方式也可以采用DELPHI, VB等编程语言。
五、结语
笔者在人体姿态平衡仪的开发中，采用普通单片机89C51和USB100专用模块组成数据采集系统，在使用中运行可靠，测量准确.用该方法开发USB数据采集系统，在满足性能要求的同时，也使系统的设计更为方便决捷。