基于C8051F340數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

1引言

電子設(shè)備運行狀態(tài)的穩(wěn)定性直接影響到現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn), 設(shè)備發(fā)生故障后高昂的維修費以及設(shè)備停機后給企業(yè)生產(chǎn)帶來的損失, 使得各個企業(yè)紛紛采取措施, 降低設(shè)備的故障率。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)準確的獲取設(shè)備運行特征數(shù)據(jù), 并對數(shù)據(jù)進行分析,判斷設(shè)備的運行狀態(tài)是否良好, 達到提前預防故障出現(xiàn)、減少停機檢修的目的。實際應用中對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性, 準確性和便攜性要求很高。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?。而USB傳輸具有高速可靠傳輸?shù)膬?yōu)勢, 具有成本低、可靠性高、維護方便等優(yōu)點。本文以帶有片上USB 和高速AD轉(zhuǎn)換器的C8051F340為核心控制器件, 利用USB總線高速傳輸?shù)奶匦? 設(shè)計了一款高速度低成本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 采集信號包括該設(shè)備輸出氣體的溫度、壓力和流量等14個參數(shù), 適用于特定設(shè)備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集工作。

2系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示, 系統(tǒng)主要由C8051F340數(shù)據(jù)采集模塊與上位PC機構(gòu)成。需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)前端的傳感器轉(zhuǎn)換后送入預處理電路, 從預處理電路輸出的數(shù)據(jù)通過I/O端口送入AD轉(zhuǎn)換端口,經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)保存到C8051F340單片機, 最后通過USB把數(shù)據(jù)送入上位PC機保存處理。


圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

3 硬件設(shè)計

在整個硬件設(shè)計中C8051F340 單片機是系統(tǒng)重要的組成部分。C8051F340單片機是S ilicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核( 可達48M IPS ); 通用串行總線(USB )功能控制器, 有8 個靈活的端點管道, 集成收發(fā)器和1K FIFO RAM; 真正10位200ksps的單端/差分ADC, 帶模擬多路器; 片內(nèi)電壓基準和溫度傳感器; 精確校準的12MH z內(nèi)部振蕩器和4 倍時鐘乘法器; 多達64KB 的片內(nèi)FLASH 存儲器; 多達4352字節(jié)片內(nèi)RAM ( 256+ 4KB ); 多達40個端口I/O (容許5V 輸入)采集系統(tǒng)的電路設(shè)計。

由于C8051F340本身集成眾多硬件電路的特性, 硬件接口設(shè)計變得非常簡單, 不需要再添加額外的電子元器件就能實現(xiàn)USB 的數(shù)據(jù)傳輸和AD轉(zhuǎn)換等, 使得系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡單, 集成度高, 可靠性好。如圖2所示, 單片機通過片上USB 接口與上位PC 機連接進行數(shù)據(jù)的傳輸。C8051F340上的P2. 0~ P2. 6引腳作為數(shù)據(jù)采集的輸入端口, 接受來自預處理電路輸送過來的數(shù)據(jù), 最后通過單片機的模擬多路選擇器( AMUX) 最終決定進入AD 轉(zhuǎn)換的通道。


圖2 數(shù)據(jù)采集硬件原理圖。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分包括單片機固件和上位PC 機客戶端程序。單片機固件主要負責單片機初始化及與上位機的通信準備, 而客戶端程序則負責對固件中相應控制的調(diào)用, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸控制、數(shù)據(jù)保存以及故障的預警。

4. 1 單片機固件( firmw are)

單片機固件采用K eil uV ision3軟件進行編寫,由主程序, AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換, USB通訊三個模塊組成。

主程序負責初始化單片機的各個端口和功能模塊, 設(shè)置相應的IO 端口為數(shù)據(jù)輸入端口, 完成各項初始化后通過vo id USB_API_TEST _ISR ( void)函數(shù)進入USB中斷服務, 在中斷服務中通過調(diào)用Get_Interrupt_Source( )函數(shù)獲得USB 中斷源。然后根據(jù)不同的入口情況, 來進行相應的處理。比如收到初始化命令時, 復位單片機內(nèi)的各個狀態(tài)參數(shù)。

AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊主要負責AD轉(zhuǎn)換時的轉(zhuǎn)換時間間隔、采樣精度的設(shè)置。C8051F340單片機的AD轉(zhuǎn)換啟動有6 種觸發(fā)方式, 由ADC0CN 中的ADC0轉(zhuǎn)換啟動方式位( AD0CM2..0)的狀態(tài)決定采用哪一種方式。本系統(tǒng)則是是通過單片機中的定時器2的每次計時溢出來觸發(fā)AD 轉(zhuǎn)換。為確保每次定時器觸發(fā)AD 轉(zhuǎn)換時上一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完全結(jié)束, 因此定時器2溢出后到下一次計時溢出的時間間隔( Tcon t)必須要大于AD 轉(zhuǎn)換時間, 才能保證每次AD轉(zhuǎn)換的完整進行。AD 轉(zhuǎn)換時間由建立轉(zhuǎn)換時間( Tsettle)和采樣時間( Tsample)構(gòu)成。圖3所示為在差分方式下等效的AD 轉(zhuǎn)換的輸入電路。對于一個給定的建立精度( SA ) 的系統(tǒng)中, 所需要的ADC 建立時間( Tsettle)可以用方程1來確定。而采樣時間( Tsamp le)通過查詢技術(shù)手冊得知需要10個SAR 時鐘。Tcon t則必須要滿足式( 2)和式( 3), 才能滿足設(shè)計要求。



圖3 AD 轉(zhuǎn)換等效輸入電路。



其中: SA 是建立精度, 用一個LSB 的分數(shù)表示(例如, 建立精度0. 25對應1 /4LSB ); t為所需要的建立時間( Tsettle), 以秒為單位; n為ADC 的分辨率,用比特表示。Rtota l為AMUX 電阻與外部信號源電阻之和; C samp le為ADC采樣電容：



其中: K 為定時器2溢出后重載的計數(shù)數(shù)值; clk 為系統(tǒng)時鐘頻率。



USB通訊模塊則設(shè)置單片機與主機的數(shù)據(jù)傳輸模式。根據(jù)USB 通信協(xié)議要求, 設(shè)置相應寄存器來配置USB中端點0與端點2跟上位主機進行數(shù)據(jù)通信, 其中端點0負責與主機的控制命令接收與響應, 端點2 負責將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔恢鳈C, 同時配置端點2在U SB0的FIFO 分配中256字節(jié)使用空間全部為數(shù)據(jù)輸出。由于C8051F340 整合的是10位ADC控制器, 采集到的數(shù)據(jù)填充為16位數(shù)據(jù), 以先低8 位, 后高8位將數(shù)據(jù)保存到系統(tǒng)的RAM 中, 而一次AD 轉(zhuǎn)換能得到2個字節(jié)的數(shù)據(jù), 因此為了每次數(shù)據(jù)上傳時充分利用端點2的使用空間, 在ADC中斷響應函數(shù)中添加一個變量i來檢測進行轉(zhuǎn)換的次數(shù), 在進行完128次AD轉(zhuǎn)換后通過調(diào)用B lock_W rite( )函數(shù)向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。部分代碼如下:



4. 2 上位PC 機客戶端程序

上位PC 機客戶端程序包括USB 驅(qū)動程序和用戶應用程序兩個部分。

USB驅(qū)動程序是一個軟件組件, 封裝了應用程序存取硬件設(shè)備的功能函數(shù)。有些設(shè)備具有相同的屬性, 把它們歸為一組標準類別, 可以定義設(shè)備類規(guī)范作為該類設(shè)備的主機驅(qū)動框架。設(shè)備類驅(qū)動程序使用相似的函數(shù), 處理不同設(shè)備間的通信,這樣使設(shè)備類驅(qū)動程序的開發(fā)可以脫離設(shè)備制造商。本系統(tǒng)的驅(qū)動程序使用了Silicon Laboratories公司提供的USB Xpress開發(fā)包, 在V isua l C ++ 6. 0環(huán)境下開發(fā), 封裝成動態(tài)鏈接庫DLL 的形式供用戶應用程序調(diào)用。

用戶應用程序采用C + + 編寫, 由客戶交互界面, USB數(shù)據(jù)通信, 數(shù)據(jù)保存顯示, 設(shè)備故障預警四個模塊組成。在USB 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計中, 使用S ilicon Laboratories公司提供的S I_GetN umDevices,S I_GetProductString ( ), SI_Open( ), SI_C lose( ) , SI_Read( ) , SI_W rite( ) 等API函數(shù), 屏蔽了對底層硬件操作中USB 復雜的通信協(xié)議, 簡化了USB 通信開發(fā), 使得開發(fā)USB 通信的程序變得更容易 。

程序流程圖如圖4所示


圖4 客戶端應用程序流程圖。

誘發(fā)設(shè)備出現(xiàn)故障的原因很多, 為保證設(shè)備正常運行需要檢測多方面的數(shù)據(jù), 本系統(tǒng)主要是檢測設(shè)備的溫度和壓力等的數(shù)據(jù), 檢測獲得的數(shù)據(jù)一旦超過某個界限, 表示設(shè)備可能出現(xiàn)故障。因此為了保證設(shè)備長時間的穩(wěn)定工作, 需要對獲取的實時數(shù)據(jù)與事先設(shè)好的臨界值進行對比, 一旦超過臨界值, 系統(tǒng)則發(fā)出警報提醒工作人員對設(shè)備進行故障排查, 起到了故障預警的效果。

5 結(jié)語

基于USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可供選擇的方案很多, 而本設(shè)計從便攜式和高速傳輸考慮, 編寫了固件和客戶端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議, 使得該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方便攜帶, 數(shù)據(jù)傳輸高速準確, 具有良好的人機交互界面, 并能對一定的設(shè)備故障進行預警提醒, 有較大的使用價值。而且單片機端口資源還沒有用完,還有開發(fā)和擴展的空間。