基于C8051F320 USB接口的采集存儲(chǔ)電路把計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)信號(hào)采集技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái),充分發(fā)揮PC機(jī)和單片機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、顯示和處理。而借助USB接口的通信功能,減小了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜性。

在一些特殊的工業(yè)場(chǎng)合,有時(shí)需要將傳感器的信號(hào)不斷的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)起來(lái),并且到一定時(shí)間再把數(shù)據(jù)回放到PC機(jī)中進(jìn)行分析和處理。在工作環(huán)境惡劣的情況下采用高性能的單片機(jī)和工業(yè)級(jí)大容量的FLASH存儲(chǔ)器的方案恐怕就是最適當(dāng)?shù)倪x擇了。CYGNAL公司的C8051F320 SOC是一種具有8051內(nèi)核的高性能單片機(jī),運(yùn)行速度為普通8051的12倍。該芯片內(nèi)部528字節(jié)隨機(jī)RAM和2048字節(jié)XRAM為數(shù)據(jù)緩沖和程序運(yùn)行提供了充足的空間。更受歡迎的是它的串行擴(kuò)展功能為當(dāng)前的各種串行芯片和外部設(shè)備接口的擴(kuò)展提供了極大的方便。高速的SPI硬件接口與串行FLASH RAM的無(wú)縫連接大大簡(jiǎn)化了電路板布線,而片內(nèi)自帶的USB接口功能使數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和回放變得十分簡(jiǎn)單和快捷。在USB接口協(xié)議的支持下,使這個(gè)采集存儲(chǔ)電路的數(shù)據(jù)回放過(guò)程簡(jiǎn)單到了極點(diǎn)。

本文給出的是用于大型光伏系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)電路,由于采用表面貼片工藝制作,整個(gè)電路板的寬度僅為18毫米,就像使用U盤一樣方便。

采集電路硬件部分

電路的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用了CYGNAL公司的C8051F320芯片和ATMEL公司的AT45DB321C存儲(chǔ)芯片作為控制和存儲(chǔ)的主要芯片。圖1是信號(hào)采集系統(tǒng)的采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)框圖。

圖1 基于USB數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)框圖

從圖1中可見,在采集過(guò)程中,傳感器的輸入模擬信號(hào)經(jīng)可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蠛笏椭罜8051F320,經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)片外有8個(gè)45DB321C芯片組成了一個(gè)32MB的Data flash存儲(chǔ)器,采集到的數(shù)據(jù)不斷地通過(guò)SPI接口傳送到45DB321C芯片中存儲(chǔ)。

與其他型號(hào)芯片相比,C8051F320帶有USB接口,片內(nèi)的USB功能控制模塊符合USB2.0規(guī)范,可在全速或低速下運(yùn)行,并具有1KB USB緩存、集成收發(fā)器,無(wú)需外部電阻。可以與PC機(jī)即插即用。當(dāng)需要數(shù)據(jù)時(shí),可將采集存儲(chǔ)電路從現(xiàn)場(chǎng)取回,通過(guò)USB接口回放到PC機(jī)中,在LabVEIW平臺(tái)上進(jìn)行波形顯示和數(shù)據(jù)分析處理。

8051F320與45DB321C的硬件接口

系統(tǒng)中C8051F320與45DB321CI采用SPI單主多從機(jī)的方式通信。引腳NSS作為從機(jī)選擇線,選擇存儲(chǔ)芯片,低電平有效;SCK作為串行外設(shè)接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘信號(hào);RDY/BUZ作為判斷設(shè)備不忙或準(zhǔn)備接收新的指令操作的信號(hào)線;SO、SI作為數(shù)據(jù)傳輸線。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)上考慮使用8片45DB321C芯片,最大容量達(dá)32MB,通過(guò)片選CS1~CS8分別連到各45DB321C的CS端。時(shí)鐘SCK只對(duì)被選中的45DB321有效。本系統(tǒng)使用多片F(xiàn)lash芯片的設(shè)計(jì)除了提供充足的存儲(chǔ)空間之外,還解決了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,就是借鑒硬盤領(lǐng)域RAID技術(shù)的思路,通過(guò)對(duì)4片一組的Flash順序操作實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的并行加速,解決了Flash寫入速度過(guò)慢的問(wèn)題,大大提高了存儲(chǔ)性能。

具體電路如圖2所示,其中8片存儲(chǔ)器的SPI采用級(jí)聯(lián)只畫出一片,各自的CS片選信號(hào)由74HC138譯碼給出。

圖2 單片機(jī)與FLASH存儲(chǔ)器的接口電路

采集電路的程序軟件

采集電路的程序是指固化在C8051F320 中的程序,采用c語(yǔ)言編寫,由主程序模塊、ADC數(shù)據(jù)采集、Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和USB通信四部分組成。

主程序和ADC數(shù)據(jù)采集

主程序主要完成系統(tǒng)初始化狀態(tài)指示操作控制和參數(shù)設(shè)置啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換等。

ADC數(shù)據(jù)采集程序?qū)?lái)自傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的。本系統(tǒng)中,ADC的轉(zhuǎn)換是通過(guò)Timer2的自動(dòng)溢出來(lái)觸發(fā)的,而采集的速率可以事先通過(guò)上位機(jī)設(shè)置。

Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序

C8051F320芯片與Flash存儲(chǔ)器的通信采用SPI接口方式,數(shù)據(jù)傳輸率為12MHz(位/秒)。本設(shè)計(jì)中,C8051F320工作在SPI主機(jī)模式,SPI總線的數(shù)據(jù)傳輸都將由C8051F320發(fā)起。首先對(duì)SPI相關(guān)SFR SPI0CFG寄存器和SPI0CN寄存器進(jìn)行配置,使其工作在3線主模式12MHz。通信時(shí)首先用GPIO引腳來(lái)選擇相應(yīng)的Flash從器件,隨后通過(guò)讀取SPIDAT來(lái)進(jìn)行讀寫操作。在使用Flash芯片進(jìn)行讀寫操作時(shí),首先要確定Flash存儲(chǔ)器的狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)寫入D7H命令,讀取狀態(tài)寄存器判斷設(shè)備是否Ready或處于Busy狀態(tài)。確定狀態(tài)后,可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的命令格式進(jìn)行相關(guān)的讀寫以及擦除操作。

USB通信程序

固件編程是USB設(shè)備開發(fā)過(guò)程里的主要工作。固件的主要任務(wù)是初始化單片機(jī)和外設(shè),發(fā)送USB請(qǐng)求,響應(yīng)主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求。根據(jù)設(shè)備的功能分類完成各種數(shù)據(jù)交換請(qǐng)求。初始化編程主要完成USB控制器的初始化、端點(diǎn)初始化,交叉開關(guān)和I/O口初始化、系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置,控制器使能。初始化后,USB設(shè)備可隨時(shí)插入主機(jī)中,主機(jī)將遵循USB協(xié)議對(duì)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和初始化。主機(jī)識(shí)別到設(shè)備之后對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置,調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,配上上位機(jī)軟件進(jìn)行相關(guān)通信操作。

Silicon lab公司提供了USBXpress的開發(fā)套件。通過(guò)使用USBXpress庫(kù),大大簡(jiǎn)化了USB固件程序和PC端驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。 USBXpress通過(guò)一系列函數(shù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)端的應(yīng)用程序接口(API)。這些函數(shù)封裝了USB協(xié)議的細(xì)節(jié),使得程序開發(fā)人員不需要了解USB的過(guò)多細(xì)節(jié)即可使用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(見圖3)。

圖3 單片機(jī)與PC機(jī)的USB通信

本系統(tǒng)中主要用到了初始化、讀、寫、中斷這四個(gè)函數(shù)：

初始化USB_Init(0,0xEA61,NULL,NULL,Serial,250,0x80,0x100)函數(shù);塊寫函數(shù)Block_Write();塊讀函數(shù)Block_Read();USB中斷使能函數(shù)。

USB的所有處理程序都是通過(guò)USB的中斷服務(wù)程序完成的。進(jìn)入U(xiǎn)SB中斷后,程序調(diào)用Get_Interrupt_Source()函數(shù)獲得USB中斷的進(jìn)入原因。然后根據(jù)不同的入口情況,來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理。比如收到數(shù)據(jù)之后,讀取相應(yīng)的緩沖區(qū)內(nèi)容到內(nèi)存中;收到初始化命令時(shí),復(fù)位單片機(jī)內(nèi)的各個(gè)狀態(tài)參數(shù)。USB通信流程圖示于圖4。

圖4 USB通信流程圖

PC機(jī)端軟件程序

計(jì)算機(jī)端軟件程序包括兩部分：USB驅(qū)動(dòng)程序和用戶應(yīng)用程序。

USB驅(qū)動(dòng)程序

USB驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)軟件組件,封裝了應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)類別,可以定義設(shè)備類規(guī)范作為該類設(shè)備的主機(jī)驅(qū)動(dòng)框架。設(shè)備類驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序的開發(fā)可以脫離設(shè)備制造商。

USB驅(qū)動(dòng)程序模型一般分為五層(見圖5)。

圖5 USB驅(qū)動(dòng)程序模型

用戶端若要從設(shè)備讀取數(shù)據(jù),將調(diào)用一個(gè)應(yīng)用程序接口API,如OpenFile,SiUSBXp.dll實(shí)現(xiàn)這個(gè)API?？偩€驅(qū)動(dòng)程序控制對(duì)總線上所有設(shè)備的訪問(wèn)。

本系統(tǒng)中,開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工具使用了USBXpress Development Kit。主要函數(shù)如下：

SI_Open()函數(shù);SI_Close()函數(shù);SI_Read函數(shù);SI_Write()函數(shù);SI_GetNumDevices()函數(shù);SI_CheckRXQueue()函數(shù)。

用戶應(yīng)用程序

本系統(tǒng)中,應(yīng)用程序采用NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行編寫,運(yùn)用圖形化的C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開發(fā),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、滿足不同需要的分析功能以及對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件的參數(shù)設(shè)定(見圖6)。

圖6 回放數(shù)據(jù)波形顯示界面

USB數(shù)據(jù)采集卡的基本概念和功能

USB數(shù)據(jù)采集卡是一種通過(guò)USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的設(shè)備。它具有體積小巧、外型美觀、攜帶方便、即插即用、支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)。USB數(shù)據(jù)采集卡通常用于視頻采集、模擬量電壓電流采集等多種場(chǎng)景，支持多路視頻和音頻輸入，具備多種報(bào)警觸發(fā)模式和錄像功能?12。

USB數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用場(chǎng)景

USB數(shù)據(jù)采集卡廣泛應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)控制、科研實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。在監(jiān)控系統(tǒng)中，USB數(shù)據(jù)采集卡可以方便地采集視頻內(nèi)容并實(shí)時(shí)顯示和錄制;在工業(yè)控制中，它可以用于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制;在科研實(shí)驗(yàn)中，USB數(shù)據(jù)采集卡可以用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析?2。

USB數(shù)據(jù)采集卡的技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)

USB數(shù)據(jù)采集卡的重要技術(shù)參數(shù)包括：

?同步采樣?：同步數(shù)據(jù)采集卡通道之間沒(méi)有時(shí)間差，異步數(shù)據(jù)采集卡的采樣率是多通道共享的。

?采樣率?：同步數(shù)據(jù)采集卡的采樣率是每通道的采樣率，異步數(shù)據(jù)采集卡的采樣率是多通道共享的。

?分辨率?：分辨率影響測(cè)量的精度，常見的分辨率有24位、16位、14位、12位等。

?通道數(shù)和量程?：根據(jù)測(cè)量需求選擇合適的通道數(shù)和量程。

?其他功能?：如模擬輸出、計(jì)數(shù)器、數(shù)字IO等?。