基于C8051F系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB接口設(shè)計(jì)

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求日益提高，傳輸速度、糾錯(cuò)能力和操作安裝的簡(jiǎn)易性是人們進(jìn)行采集數(shù)據(jù)時(shí)一直關(guān)注的問(wèn)題，這使得數(shù)據(jù)通訊技術(shù)不可避免地成為了其中的關(guān)鍵技術(shù)，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用何種接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊是影響系統(tǒng)整體效率的重要因素之一。USB（通用串行總線）總線接口技術(shù)由于具有速度快、設(shè)備安裝和配置容易、易于擴(kuò)展、能夠采用總線供電及使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)［1-5］。

本文給出了一種基于C8051F320的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB 接口設(shè)計(jì)方案，完成了USB 接口硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序開(kāi)發(fā)，并將其應(yīng)用到倉(cāng)庫(kù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了快速、方便的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

2 C8051F320 單片機(jī)原理

2.1 C8051F320 的主要特點(diǎn)

C8051F320 是由美國(guó)Cygnal 公司推出的C8051F 系列單片機(jī)中的一款用于USB 設(shè)備的小型單片機(jī)。該器件內(nèi)部集成有2304 Byte RAM 和16K Byte 的Flash 存儲(chǔ)器。由于利用該芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以不需要任何外部元件（包括電阻和晶振），因而是小型USB 應(yīng)用的理想選擇。與其它同類USB 產(chǎn)品相比，C8051F320 主要具有如下一些特點(diǎn)：

① 滿足 USB2.0 協(xié)議；

② 可在全速（12 Mbps）或低速（1.5 Mbps）下運(yùn)行；

③ 集成有一個(gè)時(shí)鐘源，對(duì)于全速或低速傳輸均可不用外部晶振；

④ 支持 8 個(gè)靈活通用的USB 端點(diǎn)；

⑤ 內(nèi)置一個(gè) 1K 的USB 專用緩沖存儲(chǔ)器；

⑥ 集成了一個(gè) USB 接收器，不需要外部電阻。

⑦ 具有高速增強(qiáng)型 8051?MCU?內(nèi)核，該MCU 內(nèi)核采用流水線式指令結(jié)構(gòu)，70%的指令執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理速度可達(dá)25MIPS（時(shí)鐘頻率為25MHz 時(shí)）。

此外，C8051F320 還有許多其它特性，如支持在系統(tǒng)編程（ISP），帶有可編程的數(shù)字I/O和數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)，可提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)片內(nèi)調(diào)試電路等。

2.2 C8051F320 的引腳及封裝

C8051F320 的引腳排列如圖1 所示，封裝為TQFP-32。其中VDD 為數(shù)字電源；GND為模擬地；REGIN 為5V 校準(zhǔn)器的輸入端；RST/C2CK 為設(shè)備的復(fù)位引腳或EC2 調(diào)試接口的時(shí)鐘信號(hào)；P3.0/C2D 為端口P3.0 或EC2 調(diào)試接口的雙向信號(hào)引腳；VBUS 為USB 總線輸入腳；D+為USB 的D+；D-為USB 的D-；P0.2/XTAL1 為端口0.2 或外部晶振輸入；P0.3/XTAL2 為端口P0.3 或外部晶振輸出；P0.6/CNVSTR 為端口P0.6 或ADC0 外部轉(zhuǎn)換開(kāi)始輸入腳；P0.7/VRFF 為端口P0.7 或外部參考電源的輸入端或輸出端；P0.0、P0.1、P0.4、P0.5、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7 均為相應(yīng)的端口引腳。

3 USB 接口電路設(shè)計(jì)

3.1 USB 接口硬件電路設(shè)計(jì)

由于 C8051F320?微控制器內(nèi)部集成了一個(gè)USB 接收器，簡(jiǎn)單易用，因此，用它進(jìn)行USB 接口的硬件設(shè)計(jì)也顯得比較簡(jiǎn)單。主要包括兩部分的內(nèi)容，一是接口轉(zhuǎn)換模塊供電方式的選擇，二是USB 引腳的連接。圖2 是其USB 接口電路圖。模塊選擇自供電模式，圖2所示的整個(gè)模塊的供電電源都來(lái)自外部5V 電源。C8051F320 中的USB 收發(fā)器內(nèi)部已經(jīng)集成了上拉電阻，不需要任何外部器件就可直接與USB 接口相連。

3.2 USB 設(shè)備固件程序設(shè)計(jì)

USB 設(shè)備固件程序是USB 設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)的部分，它的主要目的是：當(dāng)USB 設(shè)備連接到主機(jī)上時(shí)，主機(jī)可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)備，然后建立連接并完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，也就是能夠讓上位機(jī)能夠正常檢測(cè)和識(shí)別USB 設(shè)備。因此，本固件設(shè)計(jì)的目的是使主機(jī)能夠識(shí)別C8051F320設(shè)備，以及正確的與它進(jìn)行通信。同時(shí)為了在USB 上達(dá)到最大的傳輸速度，C8051F320 固件設(shè)計(jì)成中斷驅(qū)動(dòng)。

C8051F320 固件分為兩個(gè)部分：前臺(tái)主程序和后臺(tái)中斷服務(wù)程序（ISR）。在USB 固件程序中，最重要的工作就是USB 描述符的定義和USB 傳輸中斷的處理。

USB 描述符是USB 協(xié)議定義的一套描述設(shè)備功能和屬性的固定結(jié)構(gòu)的描述語(yǔ)言。

USB2.0 中的描述符包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符等8 種標(biāo)準(zhǔn)描述符和其它一些非標(biāo)準(zhǔn)描述符。USB 主機(jī)通過(guò)USB 描述符完成設(shè)備類型的識(shí)別和配置，客戶端驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)這些信息來(lái)正確訪問(wèn)設(shè)備并與其通信。本文在對(duì)C8051F320 的配置中除了端點(diǎn)0 外還用到了端點(diǎn)1 和端點(diǎn)2，它們的描述符如表1 所示。

USB 傳輸中斷的處理也是一個(gè)重要的部分。傳輸中斷的處理由ISR 和前臺(tái)主程序共同完成。這兩部分的數(shù)據(jù)交換通過(guò)事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)［6］。當(dāng)C8051F320 的USB 引擎從主機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，C8051F320 立即響應(yīng)中斷，通過(guò)讀取USB 功能控制器的三個(gè)中斷寄存器CMINT、IN1INT 和OUT1INT 來(lái)判斷中斷來(lái)源（USB復(fù)位中斷、端點(diǎn)0 中斷、端點(diǎn)1 輸入中斷、端點(diǎn)2 輸出中斷），然后根據(jù)不同的中斷來(lái)源跳入相應(yīng)的處理模塊以進(jìn)行不同的中斷處理，并在處理完畢后返回。其中，端點(diǎn)0 是每個(gè)USB設(shè)備都必須支持的默認(rèn)控制傳輸端點(diǎn)，主要用于主機(jī)對(duì)USB 設(shè)備的配置、狀態(tài)信息的獲取和設(shè)備錯(cuò)誤的糾正等，它的中斷處理模塊由控制輸出和控制輸入兩部分組成。每次傳輸首先由設(shè)置事務(wù)開(kāi)始，然后根據(jù)設(shè)置事務(wù)數(shù)據(jù)不同的中斷來(lái)源跳入相應(yīng)的處理模塊以進(jìn)行不同的中斷處理，并在處理完畢后返回。同時(shí)在ISR 中，固件將數(shù)據(jù)包從C8051F320 的USB 引擎內(nèi)部緩沖區(qū)移到一個(gè)自定義的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并在隨后請(qǐng)求清零其內(nèi)部緩沖區(qū)，以使其能夠繼續(xù)接收新的數(shù)據(jù)包。然后返回到主循環(huán)，檢查自定義緩沖區(qū)內(nèi)是否有新的數(shù)據(jù)并開(kāi)始其它的任務(wù)。由于這種結(jié)構(gòu)，主循環(huán)只用檢查自定義緩沖區(qū)內(nèi)需要處理的新數(shù)據(jù)，專注于新數(shù)據(jù)的處理，而ISR 也能夠以最大速度進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。這樣，程序?qū)SB 的操作更加簡(jiǎn)單，也便于程序的維護(hù)。主程序和端點(diǎn)0 的控制傳輸程序流程分別如圖3、圖4 所示。端點(diǎn)1 和端點(diǎn)2 的程序流程與之類似。

4 數(shù)據(jù)的接收和顯示

在主機(jī)中安裝基于 C8051F320 USB 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序（可以在新華龍網(wǎng)站上下載）之后，該設(shè)備就會(huì)被默認(rèn)成該主機(jī)的一個(gè)串口，因此在主機(jī)的處理中可以將它當(dāng)作一個(gè)虛擬的串口進(jìn)行處理，讀取其數(shù)據(jù)就如讀串口數(shù)據(jù)一樣方便，很快就能夠建立快速通信平臺(tái)。

主機(jī)軟件采用 VC＋＋開(kāi)發(fā)的，串行通信部分采用API 函數(shù)直接進(jìn)行編寫(xiě)。它為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的方法。主機(jī)軟件使用API 文件函數(shù)進(jìn)行串口通信的控制。具體函數(shù)以及使用，可以查閱MSDN。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用C8051F320 速度快、處理能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于C8051F320的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB 接口方案，給出了USB 接口電路具體的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)主機(jī)的數(shù)據(jù)和顯示進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。將設(shè)計(jì)的USB 接口應(yīng)用到倉(cāng)庫(kù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、方便的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)通信能達(dá)到上兆的傳輸速率，滿足了實(shí)時(shí)、快速傳遞數(shù)據(jù)的要求。