基于C8051F060和USBl00模塊實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)傳輸和采集系統(tǒng)的設(shè)計

引 言

在工業(yè)控制現(xiàn)場，常常需要采集多路的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫度、濕度、氣壓等。數(shù)據(jù)采集器將現(xiàn)場的模擬量經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量并傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行處理，由主機(jī)根據(jù)處理的結(jié)果，將控制信號傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進(jìn)行各種操作。由于有些工業(yè)現(xiàn)場需要對現(xiàn)場的模擬量進(jìn)行高速A／D數(shù)據(jù)采集，目前常用的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（如RS232／RS485，CAN等）已經(jīng)不能滿足大量采集數(shù)據(jù)和高速實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。?a target="_blank">USB傳輸具有高速可靠傳輸?shù)膬?yōu)勢，具有成本低、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點。本文介紹一個基于C8051F060的USB高速A／D數(shù)據(jù)采集器。通過本系統(tǒng)，不僅能了解數(shù)據(jù)采集的一般過程以及一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成，還能了解C8051F060單片機(jī)、USBl00模塊的功能。該系統(tǒng)最高傳輸速度可達(dá)8 Mbps。

1、 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由工控機(jī)、USBl00、C805lF060單片機(jī)、多路模擬切換開關(guān)、四路模擬運(yùn)算放大器、可反復(fù)充放電的鋰離子電池等構(gòu)成。系統(tǒng)電路原理框圖如圖1所示。

1．1 C8051F060單片機(jī)

C8051F060是Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。具有59個數(shù)字I／0引腳，片內(nèi)集成了2個16位、1 Msps的ADC；有與高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP一51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS），有DMA控制器和局域網(wǎng)（CAN2．OB）控制器；32個消息對象，每個消息對象有自己的標(biāo)識屏蔽；具有全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)），10位、200 ksps的ADC，帶8通道模擬多路開關(guān)，2個12位DAC；具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；64 KB可在系統(tǒng)編程的Flash內(nèi)存，4352（4K+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM，可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口，硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和2個UART串行接口；5個通用的16位定時器，6個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)器／定時器數(shù)組，片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器、時鐘振蕩器和溫度傳感器。

C8051F060是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能／禁止和配置。Flash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。

C8051F060單片機(jī)的P0．O配置為外部中斷源（INT0）。P0．1配置為外部中斷源（INTl），下降沿觸發(fā)輸入，當(dāng)USBl00模塊接收到工控機(jī)數(shù)據(jù)時觸發(fā)INTl中斷。PO．2配置為通用I／0，當(dāng)電池電壓低到一定程度時被MCU檢測到并做低電壓處理。P3．0～P3．7配置為通用I／0，P3．0用于驅(qū)動發(fā)光二極管，P3．1用作USBl00的寫控制線，P3．2用作USBl00的讀控制線，P3．3、P3．4用作模擬控制開關(guān)的控制線，P3．5用于控制傳感器的供電（當(dāng)不需要采集數(shù)據(jù)時關(guān)掉傳感器電源以減少系統(tǒng)功耗），P3．6、P3．7用作電平轉(zhuǎn)換芯片74ALVCl64245的數(shù)據(jù)方向選擇控制線。P1配置為通用I／O，作為8位并行數(shù)據(jù)線。P5配置為通用I／O，作為8位撥碼開關(guān)的輸入，用8位撥碼開關(guān)設(shè)定MCU的數(shù)據(jù)采集速度。C8051F060接線圖如圖2所示。

1．2 USBl00通用串行總線模塊

USBlOO是基于ASIC設(shè)計的，內(nèi)部封裝了USBl．1全部協(xié)議以及300位元組的內(nèi)部FIF0，8位并行數(shù)據(jù)接口，對USB的操作類似于對外部內(nèi)存的操作，由USBl00模塊完成全部協(xié)議的轉(zhuǎn)換和封裝，使開發(fā)的過程變得簡單。注意：由于USBlOO輸出TTL電平的數(shù)據(jù)，可以與5V的單片機(jī)很好地連接，而C8051F060是3．3 V的系統(tǒng)，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，中間需要增加3～5 V電平轉(zhuǎn)換電路。

DO～D7：數(shù)據(jù)口是一個8位雙向I／0口。它是一個8位并口，C8051F060通過它和USBlOO交換數(shù)據(jù)。

RD：允許內(nèi)部接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)通過8位并行總線讀出。

WR：將8位并行總線上的數(shù)據(jù)鎖存入內(nèi)部緩沖區(qū)。

TXE：高表示模塊發(fā)送緩沖區(qū)已滿；低表示發(fā)送緩沖區(qū)為空，可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

RXF：高表示模塊沒有數(shù)據(jù)輸出；低表示模塊有數(shù)據(jù)輸出，可以讀數(shù)據(jù)。

LISBVCC：USB界面的電源腳。

D+：USB數(shù)據(jù)腳。

D一：USB數(shù)據(jù)腳。

GND：電源地。

0UTVCC：+5V輸出，可以提供給外部MCU使用，最大為400 mA。

NC：空引腳。

USBl00模塊的控制時序：

發(fā)送時序如圖3所示。當(dāng)單片機(jī)檢測到USBl00模塊TXE為低時，表示內(nèi)部發(fā)送緩沖區(qū)允許發(fā)送數(shù)據(jù)，可以將數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)總線DO～D7發(fā)給USBl00模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)鎖存由WR控制；USBl00模塊TXE為高時，禁止發(fā)送數(shù)據(jù)。

接收時序如圖4所示，當(dāng)單片機(jī)檢測到USBl00模塊RXF為低時，表示內(nèi)部接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，可以通過8位數(shù)據(jù)總線DO～D7發(fā)給C8051F060單片機(jī)，接收數(shù)據(jù)鎖存由RD控制。

1．3 多路模擬切換開關(guān)

因為C8051F060只有2路高速A／D轉(zhuǎn)換器，而實際上有4路模擬量需要采集，故需要一個多路模擬切換開關(guān)。NLAS4684是兩路單刀雙執(zhí)CMOS模擬切換開關(guān)，具有很低的導(dǎo)通電阻。當(dāng)ADO_CON、ADl_CON為高電平時，運(yùn)放的輸出OUT2進(jìn)入ADO進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，運(yùn)放的輸出OUT4進(jìn)入ADl進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換；當(dāng)ADO_CON、ADl_CON為低電平時，運(yùn)放的輸出OUTl進(jìn)入ADO進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，運(yùn)放的輸出OUT3進(jìn)入AD1進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

1．4 模擬運(yùn)算放大電路

LM134、R1、R2、D1構(gòu)成恒流源電路，對橋式電路傳感器提供恒流源。橋式電路傳感器輸出信號INl+、INl一經(jīng)INA326EA放大后送入多路模擬切換開關(guān)，然后由C805lF060的A／D電路進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。INA326EA是一款單電壓供電、高性能、低功耗、滿幅度輸入輸出的儀表運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器電路放大倍數(shù)G=2K1／R3。總共有4路模擬運(yùn)算放大電路。圖6為其中一路模擬運(yùn)算放大電路。

1．5 供電電路

為了符合工業(yè)現(xiàn)場便攜式的需要，選用上海捷士電池制品有限公司的JS一7．4V一1．2Ah可反復(fù)充放電的鋰離子電池。電池采用鋰離子083448電芯，組合方式為兩串，電池容量1．2 Ah，電池電壓7．4 V，外形尺寸50 mm×37mm×17 mm，重量55 g。該電池具有電池過充保護(hù)、過放保護(hù)、短路保護(hù)、過流保護(hù)功能（這些功能已經(jīng)集成在電池內(nèi)部，便于使用）。TPS76650［）是具有250 mA輸出能力的LDO芯片，電池電壓通過該芯片的5、6腳輸入，7腳輸出穩(wěn)定的+5 V電壓供系統(tǒng)使用；2腳是對TPS76650D是否工作正常的指示輸出，當(dāng)芯片工作正常時，2腳輸出高電平，當(dāng)芯片輸出電壓在4．6～4．9 V時，2腳輸出低電

平，R1為外部上拉電阻。TPSll00為大電流驅(qū)動能力、低導(dǎo)通電阻的電源分配開關(guān)；輸出5 V電壓為傳感器電路提供恒流源，通過SPXlll7穩(wěn)壓成3．3 V為傳感器放大電路供電。為了節(jié)省耗電，C8051F060可以通過TPSll00的4腳關(guān)掉傳感器電路的恒流源和放大電路。

另外，當(dāng)采集器和計算機(jī)通過USB相接時，因為USB提供+5 V／500 mA電源，采集器可以通過USB連接線對采集器供電。供電電路如圖7所示。

2、 采集系統(tǒng)的編程

2．1 單片機(jī)編程

采用Silicon公司的Silicon Laboratories IDE集成編輯、編譯、仿真、下載軟件包，用C語言進(jìn)行軟件編寫。系統(tǒng)通電后，首先要對單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的I／0端口和交叉開關(guān)、定時器的初始化，A／D轉(zhuǎn)換器的初始化以及A／D參考電壓的初始化等。工控機(jī)通過USB口對便攜式數(shù)據(jù)采集器發(fā)送0x41、0x42、0x43、0x4_4，便攜式數(shù)據(jù)采集器分別回送傳感器1、2、2、4的200個A／D采集數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后。（部分源代碼程序略——編者注）

2．2 工控機(jī)編程

在工控機(jī)上安裝好USBlOO模塊的專用驅(qū)動程序后，USBl00即可作為一個標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，按照與串口完全一樣的方法進(jìn)行編程。本次設(shè)計采用了VB編程。在VB中采用MSComm控件，將USB接口作為一個標(biāo)準(zhǔn)的串口使用。程序分為兩部分：一部分是USB接口程序；另一部分是應(yīng)用程序。將由C8051F060采集到的數(shù)據(jù)用直觀的圖像方法顯示出來。

3、結(jié) 語

C8051F060作為新一代8051單片機(jī)，具有功能強(qiáng)大、體積小、工作穩(wěn)定等特點，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。本文只介紹了基于C8051F060的USB高速A／D數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器已經(jīng)成功運(yùn)用于某工程中。對其他相類似的數(shù)據(jù)采集、USB數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用具有一定的參考價值。

責(zé)任編輯：gt