基于C8051F340的低成本数据采集器设计

1 引言
    工业现场一般需要数据采集器完成各类数据采集任务。实际应用中要求数据采集器工作可靠,成本低廉，操作简单，便于数据收集和分析,既能与PC机联机工作又能独立采集数据。为此，本文以带有片上USB控制器和D／A转换器的高度集成处理器C8051F340为核心器件，采用SD卡存储技术利用USB总线、虚拟仪器实现软件LabVIEW设计图形用户界面，设计一款低成本数据采集器。该数据采集器可与PC机共同实现数据采集与分析,也可长时间独立工作于工业现场，并将采集数据存放于大容量SD卡，便于数据收集并利用计算机分析。数据采集器的核心器件C8051F340是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有高达48 MI／s速率、流水线结构的8051兼容微控制器内核：全速、非侵入式的在线调试接口；带有8个灵活的端点通道，具有收发器和1 KB FIFO RAM的USB功能控制器；电源稳压器；带有模拟多路器的10位200 KS／s的单端／差分ADC；精确校准的12 MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器；多达64 KB的片内Flash存储器；4 352字节片内RAM；具有5个捕捉／比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器／定时器阵列；3．3 V工作电压，功耗低且带有片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器；容许5 V输入的多达40个I／O端口。还有与此处理器配套的免费集成开发软件Silicon Labs IDE，以及专为其片上USB控制器开发的USBXpress开发套件,从而使得USB软件开发变得容易。

2 系统设计方案
    系统设计框图如图1所示，整个系统由PC机和C8051F340数据采集模块组成。PC机部分主要是软件设计，包括LabVIEW软件编写的数据采集图形用户界面和C8051F340单片机片上USB主机API,负责接收、显示和处理由数据采集模块通过USB接口发送的采集数据。而数据采集模块主要由C8051F340处理器、预处理电路和SD卡构成，负责通过C8051F340片上D／A采集经预处理电路的被测信号，再将采集信号存储至SD卡，并经USB总线传输给PC机显示。另外，LabVIEW应用程序和C8051F340应用程序均是采用Silicon Laboratories公司提供的USBXpress开发套件的API和驱动程序来实现对底层USB器件的读写操作。

3 硬件设计
    系统的硬件设计主要是数据采集模块。由于C8051F340内部集成了高精度时钟源、USB控制器、电压调节器、A／D转换器以及用于A／D转换的参考电压源等丰富的片上外设，因此在对数据采集模块硬件设计时，无需扩展上述电路，使得系统硬件结构简单,集成度高，可靠性好。如图2所示，通过片上USB接口,C8051F340与PC机相连，从PC机USB接口+5 V端提取电源输入至REGIN引脚，内部电压调节器提供+3．3 V电压。SD卡等元件的供电也由PC机USB接口提供，但需经+5 V至+3．3 V的电压转换电路。此外，系统还具有独立的电源模块，应对系统独立运行而现场USB不能供电的情况。C8051F340通过其片上P00～P03引脚与SD卡连接，实现SPI模式通信。需要说明的是：P01与D0和P02与DI的两条连接线应该分别接10 kΩ和100 kΩ的上拉电阻，图2中省略。系统还设计了复位按键，用于下载程序代码和进行调试的10针下载调试接口，用于对被测信号限幅和防混叠滤波的预处理。PC机和数据采集模块互连的USB连接线应选用带有双磁环保护的连接线，以保护数据采集模块由于USB经常连接带电拔插或其他干扰而遭受损坏。

4 软件设计
    系统软件主要包括PC机LabVIEW程序和C8051F340处理器程序。
4．1 PC机LabVIEW程序设计
    PC机LahVIEW程序设计主要完成用户图形界面和基于USB主机通信程序两大功能，从而实现人机交互,并将用户输入的指令和采集模块采集的数据通过USB总线在PC机和C28051F340之间传递。用户图形界面属于LabVIEW的前面板设计，较为简单，这里主要讨论LabVIEW的程序面板(后面板)设计。如图3所示，整个程序流程完全围绕USB通信展开，流程图中所涉及的SI_GetNumDevices()、SI_GetProductString()等函数均是Silicon Lab公司专为C8051F340单片机USB功能开发的USB主机端API函数。通过上层应用程序中直接调用这些函数可以方便快捷地实现对USB底层硬件的访问。

4．2 C8051F340处理器程序设计
    C8051F340单片机程序设计主要完成两大功能，一是基于USB器件的通信程序，接收从USB主机发送的用户指令并将采集的数据或SD卡中存储的采集数据发送给USB主机；二是A／D转换程序和SD卡读写程序。
    图4为C8051F340处理器USB通信程序流程图。整个程序流程是以USB通信为主线,流程图中所涉及的USB Clock Start()、USB Init()等函数均是Silicon Lab公司专为C8051F340单片机USB功能开发的USB端API函数。通过在C8051F340上层应用程序中直接调用这些函数可以方便快捷地实现对USB底层硬件的访问。A／D转换程序简单,可通过设置C8051F340片上定时器确定A／D转换器的采样周期，由定时器的溢出周期性的启动A／D转换器采样被测数据。C8051F340通过SPI接口与SD卡进行通信，完成采集数据的存储或读取。但SD卡上电后默认工作在SD卡通信模式,因此C8051F-340上电后对SD卡的初始化设置时，须将其SD卡通信模式转换为SPI通信模式。具体操作过程：C8051F340先向SD卡发出复位命令CMD0,若SD卡接收到返回值Ox01，则说明SD卡的SPI通信模式设置成功，至少经过74个时钟周期延时，就可进行SPI通信。SD卡的读写是以数据块为单位,数据块的长度最大可设置为512字节，另外出于避免对SD卡过于频繁访问的考虑，被测信号采样后的采样值一般不能直接存储到SD卡中，等采样数据凑足设定的块数据后，再集中存入SD卡。C8051F340通过SPI接口从SD卡读取或存储一块数据的流程如图5所示。需要说明的是C8051F340向SD卡写入数据，在图5所示的流程后，C8051F340将接收到SD卡发送的响应信息，从而确定C8051F340向SD卡写入的数据是否正确。

5 结束语
    本文设计的数据采集器利用高度集成的器件C8051F340实现数据A／D转换、USB总线通信和系统控制，可与计算机联机，也可利用大容量SD卡长时间现场独立工作，数据采集方便。该数据采集器仅采用C8051F340一个主器件，结构简单,工作稳定，体积小，成本低，现已成功用于工业现场。