基于C8051F340的低成本數(shù)據(jù)采集器設計

1 引言
    工業(yè)現(xiàn)場一般需要數(shù)據(jù)采集器完成各類數(shù)據(jù)采集任務。實際應用中要求數(shù)據(jù)采集器工作可靠,成本低廉，操作簡單，便于數(shù)據(jù)收集和分析,既能與PC機聯(lián)機工作又能獨立采集數(shù)據(jù)。為此，本文以帶有片上USB控制器和D／A轉換器的高度集成處理器C8051F340為核心器件，采用SD卡存儲技術利用USB總線、虛擬儀器實現(xiàn)軟件LabVIEW設計圖形用戶界面，設計一款低成本數(shù)據(jù)采集器。該數(shù)據(jù)采集器可與PC機共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析,也可長時間獨立工作于工業(yè)現(xiàn)場，并將采集數(shù)據(jù)存放于大容量SD卡，便于數(shù)據(jù)收集并利用計算機分析。數(shù)據(jù)采集器的核心器件C8051F340是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有高達48 MI／s速率、流水線結構的8051兼容微控制器內核：全速、非侵入式的在線調試接口；帶有8個靈活的端點通道，具有收發(fā)器和1 KB FIFO RAM的USB功能控制器；電源穩(wěn)壓器；帶有模擬多路器的10位200 KS／s的單端／差分ADC；精確校準的12 MHz內部振蕩器和4倍時鐘乘法器；多達64 KB的片內Flash存儲器；4 352字節(jié)片內RAM；具有5個捕捉／比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器／定時器陣列；3．3 V工作電壓，功耗低且?guī)в衅瑑壬想姀臀?、VDD監(jiān)視器和時鐘丟失檢測器；容許5 V輸入的多達40個I／O端口。還有與此處理器配套的免費集成開發(fā)軟件Silicon Labs IDE，以及專為其片上USB控制器開發(fā)的USBXpress開發(fā)套件,從而使得USB軟件開發(fā)變得容易。

2 系統(tǒng)設計方案
    系統(tǒng)設計框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)由PC機和C8051F340數(shù)據(jù)采集模塊組成。PC機部分主要是軟件設計，包括LabVIEW軟件編寫的數(shù)據(jù)采集圖形用戶界面和C8051F340單片機片上USB主機API,負責接收、顯示和處理由數(shù)據(jù)采集模塊通過USB接口發(fā)送的采集數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)采集模塊主要由C8051F340處理器、預處理電路和SD卡構成，負責通過C8051F340片上D／A采集經預處理電路的被測信號，再將采集信號存儲至SD卡，并經USB總線傳輸給PC機顯示。另外，LabVIEW應用程序和C8051F340應用程序均是采用Silicon Laboratories公司提供的USBXpress開發(fā)套件的API和驅動程序來實現(xiàn)對底層USB器件的讀寫操作。

3 硬件設計
    系統(tǒng)的硬件設計主要是數(shù)據(jù)采集模塊。由于C8051F340內部集成了高精度時鐘源、USB控制器、電壓調節(jié)器、A／D轉換器以及用于A／D轉換的參考電壓源等豐富的片上外設，因此在對數(shù)據(jù)采集模塊硬件設計時，無需擴展上述電路，使得系統(tǒng)硬件結構簡單,集成度高，可靠性好。如圖2所示，通過片上USB接口,C8051F340與PC機相連，從PC機USB接口+5 V端提取電源輸入至REGIN引腳，內部電壓調節(jié)器提供+3．3 V電壓。SD卡等元件的供電也由PC機USB接口提供，但需經+5 V至+3．3 V的電壓轉換電路。此外，系統(tǒng)還具有獨立的電源模塊，應對系統(tǒng)獨立運行而現(xiàn)場USB不能供電的情況。C8051F340通過其片上P00～P03引腳與SD卡連接，實現(xiàn)SPI模式通信。需要說明的是：P01與D0和P02與DI的兩條連接線應該分別接10 kΩ和100 kΩ的上拉電阻，圖2中省略。系統(tǒng)還設計了復位按鍵，用于下載程序代碼和進行調試的10針下載調試接口，用于對被測信號限幅和防混疊濾波的預處理。PC機和數(shù)據(jù)采集模塊互連的USB連接線應選用帶有雙磁環(huán)保護的連接線，以保護數(shù)據(jù)采集模塊由于USB經常連接帶電拔插或其他干擾而遭受損壞。

4 軟件設計
    系統(tǒng)軟件主要包括PC機LabVIEW程序和C8051F340處理器程序。
4．1 PC機LabVIEW程序設計
    PC機LahVIEW程序設計主要完成用戶圖形界面和基于USB主機通信程序兩大功能，從而實現(xiàn)人機交互,并將用戶輸入的指令和采集模塊采集的數(shù)據(jù)通過USB總線在PC機和C28051F340之間傳遞。用戶圖形界面屬于LabVIEW的前面板設計，較為簡單，這里主要討論LabVIEW的程序面板(后面板)設計。如圖3所示，整個程序流程完全圍繞USB通信展開，流程圖中所涉及的SI_GetNumDevices()、SI_GetProductString()等函數(shù)均是Silicon Lab公司專為C8051F340單片機USB功能開發(fā)的USB主機端API函數(shù)。通過上層應用程序中直接調用這些函數(shù)可以方便快捷地實現(xiàn)對USB底層硬件的訪問。

4．2 C8051F340處理器程序設計
    C8051F340單片機程序設計主要完成兩大功能，一是基于USB器件的通信程序，接收從USB主機發(fā)送的用戶指令并將采集的數(shù)據(jù)或SD卡中存儲的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給USB主機；二是A／D轉換程序和SD卡讀寫程序。
    圖4為C8051F340處理器USB通信程序流程圖。整個程序流程是以USB通信為主線,流程圖中所涉及的USB Clock Start()、USB Init()等函數(shù)均是Silicon Lab公司專為C8051F340單片機USB功能開發(fā)的USB端API函數(shù)。通過在C8051F340上層應用程序中直接調用這些函數(shù)可以方便快捷地實現(xiàn)對USB底層硬件的訪問。A／D轉換程序簡單,可通過設置C8051F340片上定時器確定A／D轉換器的采樣周期，由定時器的溢出周期性的啟動A／D轉換器采樣被測數(shù)據(jù)。C8051F340通過SPI接口與SD卡進行通信，完成采集數(shù)據(jù)的存儲或讀取。但SD卡上電后默認工作在SD卡通信模式,因此C8051F-340上電后對SD卡的初始化設置時，須將其SD卡通信模式轉換為SPI通信模式。具體操作過程：C8051F340先向SD卡發(fā)出復位命令CMD0,若SD卡接收到返回值Ox01，則說明SD卡的SPI通信模式設置成功，至少經過74個時鐘周期延時，就可進行SPI通信。SD卡的讀寫是以數(shù)據(jù)塊為單位,數(shù)據(jù)塊的長度最大可設置為512字節(jié)，另外出于避免對SD卡過于頻繁訪問的考慮，被測信號采樣后的采樣值一般不能直接存儲到SD卡中，等采樣數(shù)據(jù)湊足設定的塊數(shù)據(jù)后，再集中存入SD卡。C8051F340通過SPI接口從SD卡讀取或存儲一塊數(shù)據(jù)的流程如圖5所示。需要說明的是C8051F340向SD卡寫入數(shù)據(jù)，在圖5所示的流程后，C8051F340將接收到SD卡發(fā)送的響應信息，從而確定C8051F340向SD卡寫入的數(shù)據(jù)是否正確。

5 結束語
    本文設計的數(shù)據(jù)采集器利用高度集成的器件C8051F340實現(xiàn)數(shù)據(jù)A／D轉換、USB總線通信和系統(tǒng)控制，可與計算機聯(lián)機，也可利用大容量SD卡長時間現(xiàn)場獨立工作，數(shù)據(jù)采集方便。該數(shù)據(jù)采集器僅采用C8051F340一個主器件，結構簡單,工作穩(wěn)定，體積小，成本低，現(xiàn)已成功用于工業(yè)現(xiàn)場。