在一些特殊的工業(yè)場合，有時需要將傳感器的信號不斷的實時采集和存儲起來,，并且到一定時間再把數(shù)據(jù)回放到PC機中進行分析和處理,。在工作環(huán)境惡劣的情況下采用高性能的單片機和工業(yè)級大容量的FLASH存儲器的方案恐怕就是最適當?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,，運行速度為普通8051的12倍,。

　　本文給出的是用于大型光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集存儲電路，由于采用表面貼片工藝制作,，整個電路板的寬度僅為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

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

　　圖1 基于USB數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)框圖

　　從圖1中可見，在采集過程中,，傳感器的輸入模擬信號經(jīng)可變增益放大器放大后送至C8051F320,，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。單片機片外有8個45DB321C芯片組成了一個32MB的Data flash存儲器,，采集到的數(shù)據(jù)不斷地通過SPI接口傳送到45DB321C芯片中存儲,。

　　與其他型號芯片相比,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行,，并具有1KB USB緩存、集成收發(fā)器,，無需外部電阻,。可以與PC機即插即用,。當需要數(shù)據(jù)時,，可將采集存儲電路從現(xiàn)場取回，通過USB接口回放到PC機中,，在LabVEIW平臺上進行波形顯示和數(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單主多從機的方式通信。引腳NSS作為從機選擇線,，選擇存儲芯片,，低電平有效;SCK作為串行外設接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的同步時鐘信號;RDY/BUZ作為判斷設備不忙或準備接收新的指令操作的信號線;SO,、SI作為數(shù)據(jù)傳輸線。

　　本系統(tǒng)設計上考慮使用8片45DB321C芯片,，最大容量達32MB,通過片選CS1~CS8分別連到各45DB321C的CS端,。時鐘SCK只對被選中的45DB321有效。本系統(tǒng)使用多片F(xiàn)lash芯片的設計除了提供充足的存儲空間之外,，還解決了一個關鍵問題,，就是借鑒硬盤領域RAID技術的思路，通過對4片一組的Flash順序操作實現(xiàn)一個基本的并行加速,，解決了Flash寫入速度過慢的問題，大大提高了存儲性能,。

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

　　圖2 單片機與FLASH存儲器的接口電路

　　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語言編寫，由主程序模塊,、ADC數(shù)據(jù)采集,、Flash數(shù)據(jù)存儲和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)設置啟動A/D轉(zhuǎn)換等,。

　　ADC數(shù)據(jù)采集程序?qū)碜詡鞲衅鞯哪M信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的,。本系統(tǒng)中，ADC的轉(zhuǎn)換是通過Timer2的自動溢出來觸發(fā)的,，而采集的速率可以事先通過上位機設置,。

　　C8051F320芯片與Flash存儲器的通信采用SPI接口方式，數(shù)據(jù)傳輸率為12MHz(位/秒),。本設計中,，C8051F320工作在SPI主機模式，SPI總線的數(shù)據(jù)傳輸都將由C8051F320發(fā)起,。首先對SPI相關SFR SPI0CFG寄存器和SPI0CN寄存器進行配置,，使其工作在3線主模式12MHz。通信時首先用GPIO引腳來選擇相應的Flash從器件,，隨后通過讀取SPIDAT來進行讀寫操作,。在使用Flash芯片進行讀寫操作時，首先要確定Flash存儲器的狀態(tài),?？赏ㄟ^寫入D7H命令，讀取狀態(tài)寄存器判斷設備是否Ready或處于Bus

　　y狀態(tài),。確定狀態(tài)后,，可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的命令格式進行相關的讀寫以及擦除操作。

　　USB通信程序

　　固件編程是USB設備開發(fā)過程里的主要工作。固件的主要任務是初始化單片機和外設,，發(fā)送USB請求,，響應主機的標準設備請求。根據(jù)設備的功能分類完成各種數(shù)據(jù)交換請求,。初始化編程主要完成USB控制器的初始化,、端點初始化，交叉開關和I/O口初始化,、系統(tǒng)時鐘設置,，控制器使能。初始化后,，USB設備可隨時插入主機中,，主機將遵循USB協(xié)議對設備進行識別和初始化。主機識別到設備之后對設備進行配置,，調(diào)用相應的驅(qū)動程序,，配上上位機軟件進行相關通信操作。

　　Silicon lab公司提供了USBXpress的開發(fā)套件,。通過使用USBXpress庫,，大大簡化了USB固件程序和PC端驅(qū)動程序的開發(fā)。 USBXpress通過一系列函數(shù)實現(xiàn)單片機端的應用程序接口(API),。這些函數(shù)封裝了USB協(xié)議的細節(jié),，使得程序開發(fā)人員不需要了解USB的過多細節(jié)即可使用USB進行數(shù)據(jù)通信(見圖3)。

　　圖3 單片機與PC機的USB通信

　　本系統(tǒng)中主要用到了初始化,、讀,、寫、中斷這四個函數(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USB的中斷服務程序完成的,。進入USB中斷后，程序調(diào)用Get_Interrupt_Source()函數(shù)獲得USB中斷的進入原因,。然后根據(jù)不同的入口情況,，來進行相應的處理。比如收到數(shù)據(jù)之后,，讀取相應的緩沖區(qū)內(nèi)容到內(nèi)存中;收到初始化命令時,，復位單片機內(nèi)的各個狀態(tài)參數(shù)。USB通信流程圖示于圖4,。

　　圖4 USB通信流程圖

　　PC機端軟件程序

　　計算機端軟件程序包括兩部分：USB驅(qū)動程序和用戶應用程序,。

　　USB驅(qū)動程序

　　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備的功能函數(shù),。有些設備具有相同的屬性,，把它們歸為一組標準類別,，可以定義設備類規(guī)范作為該類設備的主機驅(qū)動框架。設備類驅(qū)動程序使用相似的函數(shù),，處理不同設備間的通信,，這樣使設備類驅(qū)動程序的開發(fā)可以脫離設備制造商。

　　USB驅(qū)動程序模型一般分為五層(見圖5),。

　　圖5 USB驅(qū)動程序模型

　　用戶端若要從設備讀取數(shù)據(jù),，將調(diào)用一個應用程序接口API，如OpenFile,，SiUSBXp.dll實現(xiàn)這個API,。總線驅(qū)動程序控制對總線上所有設備的訪問,。

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

　　S

　　I_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),。

　　 用戶應用程序

　　本系統(tǒng)中，應用程序采用NI公司的LabVIEW軟件進行編寫,，運用圖形化的C語言進行軟件開發(fā),，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、滿足不同需要的分析功能以及對數(shù)據(jù)采集硬件的參數(shù)設定(見圖6),。

　　圖6 回放數(shù)據(jù)波形顯示界面

　　結(jié)語

　　基于C8051F320 USB接口的采集存儲電路把計算機技術與傳統(tǒng)信號采集技術緊密結(jié)合起來,，充分發(fā)揮PC機和單片機各自的優(yōu)點，實現(xiàn)傳感器信號的采集,、存儲,、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)的復雜性,。