引 言
在工業(yè)控制現(xiàn)場，常常需要采集多路的現(xiàn)場數(shù)據(jù),，如電壓,、電流、溫度,、濕度,、氣壓等。數(shù)據(jù)采集器將現(xiàn)場的模擬量經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量并傳輸?shù)街鳈C進行處理,，由主機根據(jù)處理的結(jié)果,，將控制信號傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進行各種操作。由于有些工業(yè)現(xiàn)場需要對現(xiàn)場的模擬量進行高速A／D數(shù)據(jù)采集,，目前常用的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(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)囊蟆６?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/USB" title="USB" target="_blank">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,。本文介紹一個基于C8051F060的USB高速A／D數(shù)據(jù)采集器,。通過本系統(tǒng)，不僅能了解數(shù)據(jù)采集的一般過程以及一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成,，還能了解C8051F060單片機,、USBl00模塊的功能。該系統(tǒng)最高傳輸速度可達8 Mbps,。
1 系統(tǒng)原理
該系統(tǒng)由工控機,、USBl00、C805lF060單片機,、多路模擬切換開關、四路模擬運算放大器,、可反復充放電的鋰離子電池等構(gòu)成,。系統(tǒng)電路原理框圖如圖1所示,。
1．1 C8051F060單片機
C8051F060是Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。具有59個數(shù)字I／0引腳,，片內(nèi)集成了2個16位,、1 Msps的ADC；有與高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP一51內(nèi)核(可達25MIPS),，有DMA控制器和局域網(wǎng)(CAN2．OB)控制器,；32個消息對象，每個消息對象有自己的標識屏蔽,；具有全速,、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))，10位,、200 ksps的ADC,，帶8通道模擬多路開關，2個12位DAC,；具有可編程數(shù)據(jù)更新方式,；64 KB可在系統(tǒng)編程的Flash內(nèi)存，4352(4K+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM,，可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口,，硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和2個UART串行接口,；5個通用的16位定時器,，6個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)器／定時器數(shù)組，片內(nèi)看門狗定時器,、VDD監(jiān)視器,、時鐘振蕩器和溫度傳感器。
關鍵字：C8051F060 USB AD數(shù)據(jù)采集器
C8051F060是真正能獨立工作的片上系統(tǒng),。所有模擬和數(shù)字外設均可由用戶固件使能／禁止和配置,。Flash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲,，并允許現(xiàn)場更新8051固件,。
C8051F060單片機的P0．O配置為外部中斷源(INT0)。P0．1配置為外部中斷源(INTl),，下降沿觸發(fā)輸入,，當USBl00模塊接收到工控機數(shù)據(jù)時觸發(fā)INTl中斷。PO．2配置為通用I／0,，當電池電壓低到一定程度時被MCU檢測到并做低電壓處理,。P3．0～P3．7配置為通用I／0，P3．0用于驅(qū)動發(fā)光二極管,，P3．1用作USBl00的寫控制線,，P3．2用作USBl00的讀控制線,，P3．3、P3．4用作模擬控制開關的控制線,，P3．5用于控制傳感器的供電(當不需要采集數(shù)據(jù)時關掉傳感器電源以減少系統(tǒng)功耗),，P3．6、P3．7用作電平轉(zhuǎn)換芯片74ALVCl64245的數(shù)據(jù)方向選擇控制線,。P1配置為通用I／O,，作為8位并行數(shù)據(jù)線。P5配置為通用I／O,，作為8位撥碼開關的輸入,，用8位撥碼開關設定MCU的數(shù)據(jù)采集速度。C8051F060接線圖如圖2所示,。
1．2 USBl00通用串行總線模塊
USBlOO是基于ASIC設計的,，內(nèi)部封裝了USBl．1全部協(xié)議以及300位元組的內(nèi)部FIF0，8位并行數(shù)據(jù)接口,，對USB的操作類似于對外部內(nèi)存的操作,，由USBl00模塊完成全部協(xié)議的轉(zhuǎn)換和封裝，使開發(fā)的過程變得簡單,。注意：由于USBlOO輸出TTL電平的數(shù)據(jù),，可以與5V的單片機很好地連接，而C8051F060是3．3 V的系統(tǒng),，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，中間需要增加3～5 V電平轉(zhuǎn)換電路。
DO～D7：數(shù)據(jù)口是一個8位雙向I／0口,。它是一個8位并口,，C8051F060通過它和USBlOO交換數(shù)據(jù)。
RD：允許內(nèi)部接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)通過8位并行總線讀出,。
WR：將8位并行總線上的數(shù)據(jù)鎖存入內(nèi)部緩沖區(qū),。
TXE：高表示模塊發(fā)送緩沖區(qū)已滿；低表示發(fā)送緩沖區(qū)為空,，可以發(fā)送數(shù)據(jù),。
RXF：高表示模塊沒有數(shù)據(jù)輸出；低表示模塊有數(shù)據(jù)輸出,，可以讀數(shù)據(jù),。
LISBVCC：USB界面的電源腳。
D+：USB數(shù)據(jù)腳,。
D一：USB數(shù)據(jù)腳,。
GND：電源地。
0UTVCC：+5V輸出，可以提供給外部MCU使用,，最大為400 mA,。
NC：空引腳。
USBl00模塊的控制時序：
發(fā)送時序如圖3所示,。當單片機檢測到USBl00模塊TXE為低時，表示內(nèi)部發(fā)送緩沖區(qū)允許發(fā)送數(shù)據(jù),，可以將數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)總線DO～D7發(fā)給USBl00模塊,，發(fā)送數(shù)據(jù)鎖存由WR控制；USBl00模塊TXE為高時,，禁止發(fā)送數(shù)據(jù),。
接收時序如圖4所示，當單片機檢測到USBl00模塊RXF為低時,，表示內(nèi)部接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù),，可以通過8位數(shù)據(jù)總線DO～D7發(fā)給C8051F060單片機，接收數(shù)據(jù)鎖存由RD控制,。
1．3 多路模擬切換開關
因為C8051F060只有2路高速A／D轉(zhuǎn)換器,，而實際上有4路模擬量需要采集，故需要一個多路模擬切換開關,。NLAS4684是兩路單刀雙執(zhí)CMOS模擬切換開關,，具有很低的導通電阻。當ADO_CON,、ADl_CON為高電平時，運放的輸出OUT2進入ADO進行A／D轉(zhuǎn)換,，運放的輸出OUT4進入ADl進行A／D轉(zhuǎn)換,；當ADO_CON、ADl_CON為低電平時,，運放的輸出OUTl進入ADO進行A／D轉(zhuǎn)換,，運放的輸出OUT3進入AD1進行A／D轉(zhuǎn)換，如圖5所示,。
1．4 模擬運算放大電路
LM134,、R1、R2,、D1構(gòu)成恒流源電路,，對橋式電路傳感器提供恒流源。橋式電路傳感器輸出信號INl+,、INl一經(jīng)INA326EA放大后送入多路模擬切換開關,，然后由C805lF060的A／D電路進行A／D轉(zhuǎn)換。INA326EA是一款單電壓供電、高性能,、低功耗,、滿幅度輸入輸出的儀表運算放大器。運算放大器電路放大倍數(shù)G=2K1／R3,?？偣灿?路模擬運算放大電路。圖6為其中一路模擬運算放大電路,。
1．5 供電電路
為了符合工業(yè)現(xiàn)場便攜式的需要,，選用上海捷士電池制品有限公司的JS一7．4V一1．2Ah可反復充放電的鋰離子電池。電池采用鋰離子083448電芯,，組合方式為兩串,，電池容量1．2 Ah，電池電壓7．4 V,，外形尺寸50 mm×37mm×17 mm,，重量55 g。該電池具有電池過充保護,、過放保護,、短路保護、過流保護功能(這些功能已經(jīng)集成在電池內(nèi)部,，便于使用),。TPS76650[)是具有250 mA輸出能力的LDO芯片，電池電壓通過該芯片的5,、6腳輸入，7腳輸出穩(wěn)定的+5 V電壓供系統(tǒng)使用,；2腳是對TPS76650D是否工作正常的指示輸出,，當芯片工作正常時，2腳輸出高電平,，當芯片輸出電壓在4．6～4．9 V時，2腳輸出低電
平,，R1為外部上拉電阻,。TPSll00為大電流驅(qū)動能力、低導通電阻的電源分配開關,；輸出5 V電壓為傳感器電路提供恒流源,，通過SPXlll7穩(wěn)壓成3．3 V為傳感器放大電路供電,。為了節(jié)省耗電,，C8051F060可以通過TPSll00的4腳關掉傳感器電路的恒流源和放大電路,。
另外，當采集器和計算機通過USB相接時,，因為USB提供+5 V／500 mA電源，采集器可以通過USB連接線對采集器供電,。供電電路如圖7所示,。
2 采集系統(tǒng)的編程
2．1 單片機編程
采用Silicon公司的Silicon Laboratories IDE集成編輯、編譯,、仿真,、下載軟件包，用C語言進行軟件編寫,。系統(tǒng)通電后,，首先要對單片機進行初始化,，包括單片機的I／0端口和交叉開關、定時器的初始化,，A／D轉(zhuǎn)換器的初始化以及A／D參考電壓的初始化等,。工控機通過USB口對便攜式數(shù)據(jù)采集器發(fā)送0x41、0x42,、0x43,、0x4_4，便攜式數(shù)據(jù)采集器分別回送傳感器1,、2,、2、4的200個A／D采集數(shù)據(jù),，高位在前,，低位在后。(部分源代碼程序略——編者注)
2．2 工控機編程
在工控機上安裝好USBlOO模塊的專用驅(qū)動程序后,，USBl00即可作為一個標準的設備,，按照與串口完全一樣的方法進行編程。本次設計采用了VB編程,。在VB中采用MSComm控件,，將USB接口作為一個標準的串口使用。程序分為兩部分：一部分是USB接口程序,；另一部分是應用程序,。將由C8051F060采集到的數(shù)據(jù)用直觀的圖像方法顯示出來。
結(jié) 語
C8051F060作為新一代8051單片機,，具有功能強大,、體積小、工作穩(wěn)定等特點，適用于復雜控制系統(tǒng),。本文只介紹了基于C8051F060的USB高速A／D數(shù)據(jù)采集器,。數(shù)據(jù)采集器已經(jīng)成功運用于某工程中,。對其他相類似的數(shù)據(jù)采集,、USB數(shù)據(jù)傳輸應用具有一定的參考價值。