低成本的U盤數(shù)據(jù)采集器設(shè)計

引 言
    工業(yè)現(xiàn)場一般都需要數(shù)據(jù)采集器來完成各類數(shù)據(jù)采集任務(wù)。在很多實際應(yīng)用中，往往要求數(shù)據(jù)采集器具有工作可靠、成本低廉、操作簡單、數(shù)據(jù)便于收集和計算機分析等特點。U盤作為新型移動存儲設(shè)備，以體積小、速度高、抗震動、通用性強的特點倍受青睞。如果能在嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實現(xiàn)USB主機功能，那么嵌入式數(shù)據(jù)采集器就能像PC機一樣方便靈活地利用U盤這類USB存儲設(shè)備進行數(shù)據(jù)存儲。本文以帶有片上A／D轉(zhuǎn)換器的C8051F340處理器和USB接口芯片CH375為基礎(chǔ)，設(shè)計了一款可對100 kHz以下的低頻模擬信號進行10位深度采樣的低成本數(shù)據(jù)采集器。該數(shù)據(jù)采集器具有USB主機功能，可將采集的數(shù)據(jù)以FAT32文件系統(tǒng)格式直接存儲到普通U盤中。數(shù)據(jù)采集完畢后，用戶可直接從采集器上取下U盤，利用計算機方便地實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的收集和分析處理。
    下面分別介紹數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)方案設(shè)計和系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
    系統(tǒng)方案如圖1所示，系統(tǒng)主要由C8051F340單片機和USB 接口芯片CH375構(gòu)成。被測信號首先通過調(diào)理電路的抗混疊濾波和限幅處理，然后送給單片機片上A／D轉(zhuǎn)換器進行采樣，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)達到一個扇區(qū)512字節(jié)后，單片機通過自身并口控制CH375向U盤寫入采樣數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)在U盤中以FAT32文件系統(tǒng)格式寫入，并以文本文件形式保存?？刂戚斎腚娐坟撠?zé)輸入用戶指令，以控制A／D工作模式和改變采樣頻率。單片機實現(xiàn)U盤讀寫和FAT32文件系統(tǒng)時，使用了南京沁恒電子有限公司開發(fā)的CH375HF5．LIB庫中的多個函數(shù)，該庫函數(shù)的詳細信息可參考文獻。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    由于C8051F340內(nèi)部集成了高精度時鐘源、電壓調(diào)節(jié)器、A／D轉(zhuǎn)換器以及用于A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓源等豐富的片上外設(shè)，因此對系統(tǒng)進行硬件設(shè)計時，無需再外擴上述電路，從而簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，提高了集成度和可靠性。
    如圖2所示，電源模塊生成的5 V電壓一方面給U盤供電，一方面通過單片機的REGIN引腳輸入到單片機的電壓調(diào)節(jié)器，從而使單片機自己生成工作所需的3 V電壓，并可將生成的3 V電壓通過VDD引腳輸出給其他3V器件使用。單片機利用P3口以及P20～P24通用I／O引腳模擬并口實現(xiàn)與CH375芯片的并口通信。這里需要注意兩點。第一，C8051F340是3 V低功耗單片機，為了保證C8051F340與CH375的通信接口電平匹配，防止通信不穩(wěn)定，選擇了同樣是3 V供電的CH375V芯片；另外，由于U盤是5 V供電驅(qū)動，而作為USB HOST的CH375是3 V供電，不能直接向U盤供電，因此需要5 V電源模塊給U盤單獨供電。第二，圖2所示的CH375電路原理圖并不完整，振蕩器電路等附加電路沒有全部畫出，完整的電路可參考文獻。被測信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，通過單片機P25引腳進入單片機片上A／D轉(zhuǎn)換器。為了使采集器能盡可能多地應(yīng)用到不同采集領(lǐng)域，采集器A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓、轉(zhuǎn)化啟動時鐘、差分或單端采樣選擇、采樣頻率等參數(shù)設(shè)置均可根據(jù)圖3所示的用戶輸入控制電路靈活改變。在圖3的8位撥位開關(guān)中，開關(guān)1設(shè)置是差分采樣還是單端采樣，開關(guān)2設(shè)置A／D采樣是使用內(nèi)部還是外部參考電壓，開關(guān)3設(shè)置A／D采樣是由單片機定時器啟動還是由外部輸入更新時鐘啟動，開關(guān)4～8設(shè)置采樣頻率。開關(guān)4～8分別代表10 ksps、20ksps、30 ksps、40 ksps、100 ksps，通過開關(guān)4～8的不同組合，可以實現(xiàn)以10 ksps為步進，10～200 ksps采樣頻率的改變。例如，當(dāng)8位撥位開關(guān)全部閉合時，意味著采樣頻率為200 ksps，且A／D轉(zhuǎn)換采用單端采樣方式，采樣參考電壓需從系統(tǒng)外部輸入到圖2中的VREF引腳，采樣更新時鐘需從系統(tǒng)外部輸入到圖2中的CNSTR引腳。另外，系統(tǒng)還設(shè)計了復(fù)位按鍵以及用于下載程序代碼和進行調(diào)試的10針下載調(diào)試接口電路，如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    如圖5所示，C8051F340單片機主程序需要首先完成單片機I／O引腳的設(shè)置與相關(guān)寄存器配置，然后讀取P4口用戶輸入控制指令，并根據(jù)用戶指令設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換器參數(shù)，接著初始化CH375通信端口，進而初始化CH375芯片及其程序庫。緊接著檢查U盤是否插入，以及插入的U盤是否準備就緒。一旦U盤準備就緒，就在U盤新建文本文件格式的數(shù)據(jù)采集文件，然后打開文件，并使文件指針指向文件尾部以方便后面寫入采集數(shù)據(jù)。所有準備工作完成，就可以啟動A／D轉(zhuǎn)換器。如果采樣數(shù)據(jù)達到U盤1個扇區(qū)512字節(jié)，那么就可以將采樣數(shù)據(jù)一次性寫入U盤的1個扇區(qū)中。這里需要注意兩點。第一，U盤讀寫可以字節(jié)為單位也可以塊為單位，以字節(jié)為單位需要頻繁訪問U盤，從而導(dǎo)致U盤存儲速度下降，使用壽命縮短，而以U盤1個扇區(qū)的512字節(jié)為單位讀寫U盤則可以很好地解決這個問題；另外，為了實現(xiàn)不間斷實時采樣，在設(shè)計數(shù)據(jù)的采集和存儲時采用了“乒乓制”，即在單片機開辟了A、B兩個512字節(jié)的RAM存儲區(qū)，而A、B兩個存儲區(qū)分別交替完成存儲采樣數(shù)據(jù)和將采樣數(shù)據(jù)搬移到U盤中的任務(wù)，相互獨立工作，互不干擾，有效地解決了存儲數(shù)據(jù)與搬移數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的沖突。第二，A／D轉(zhuǎn)換器采集到的數(shù)據(jù)不是真實的電壓值，而只是真實電壓值與參考電壓相比的相對值，因此為了今后對采樣值分析方便，還需要計算出真實采樣電壓值，并將數(shù)字轉(zhuǎn)換為字符后再存儲到U盤采樣數(shù)據(jù)文件中。

    C8051F340單片機通過CH375訪問U盤是系統(tǒng)軟件的核心部分，在實現(xiàn)這部分功能的程序中使用了南京沁恒電子有限公司開發(fā)的CH375HF5．LIB庫函數(shù)。這里以系統(tǒng)插入U盤，向U盤寫入512字節(jié)數(shù)據(jù)，然后拔出的過程為例，簡單介紹單片機訪問CH375的程序流程。
    系統(tǒng)初始化成功后，調(diào)用xQueryInterrupt()函數(shù)查詢CH375中斷并更新中斷狀態(tài)，等待U盤插入。U盤插入后，經(jīng)過一段延時，系統(tǒng)調(diào)用CH375DiskReady()函數(shù)查詢U盤是否準備就緒。U盤一旦就緒，系統(tǒng)調(diào)用mCopyCodeStringToIRAM()和CH375FileCreate()函數(shù)，在U盤根目錄新建采樣數(shù)據(jù)文件，并調(diào)用CH375FileOpen()函數(shù)打開文件，接著使用語句  

    mCmdParam．ByteLocate．mByteOffset=Oxffffffff使文件指針指向文件的尾部，以方便后面添加采樣數(shù)據(jù)。如果已完成512字節(jié)采樣數(shù)據(jù)的采集，則調(diào)用CH375FileWriteX()函數(shù)，實現(xiàn)U盤一個扇區(qū)的寫操作。寫操作完畢后，需要利用下列4個語句：
    mCmdParam．Modify．mFileAttr=Oxff
    mCmdParam．Modify．mFileTime=MAKE_FILE_TIME()
    mCmdParam．Modify．mFileDate=MAKE_FILE_DATE()
    mCmdParam．Modify．mFileSize=0xffffffff
    對文件屬性、時間、日期、長度等參數(shù)進行修改，然后調(diào)用CH375FileModify()函數(shù)完成對上述4個文件屬性的更新。最后系統(tǒng)調(diào)用CH375FileClose()函數(shù)關(guān)閉文件，調(diào)用xQueryInterrupt()函數(shù)查詢CH375中斷并更新中斷狀態(tài)，等待U盤拔出，從而最終完成對U盤的訪問。

結(jié)語
    本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集器利用高度集成的C8051F340處理器實現(xiàn)了數(shù)據(jù)A／D轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)控制，利用CH375實現(xiàn)了采集器的USB主機功能，從而使采集的數(shù)據(jù)能以FAT32文件系統(tǒng)格式直接存儲到U盤中。該采集器數(shù)據(jù)收集方便，便于計算機分析，同時僅有C8051F340和CH375兩個主要器件，結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，只有名片大小，成本不足50元(不包括U盤)，已成功應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。