单片机与USB接口实现电力补偿装置控制系统

时间：2011-09-23 10:52:51

关键字：单片机 USB接口控制系统电力

手机看文章

扫描二维码
随时随地手机看文章

[导读]在一些特殊的工业场合，有时需要将传感器的信号不断的实时采集和存储起来，并且到一定时间再把数据回放到PC机中进行分析和处理。在工作环境恶劣的情况下采用高性能的单片机和工业级大容量的FLASH存储器的方案恐怕就是

在一些特殊的工业场合，有时需要将传感器的信号不断的实时采集和存储起来，并且到一定时间再把数据回放到PC机中进行分析和处理。在工作环境恶劣的情况下采用高性能的单片机和工业级大容量的FLASH存储器的方案恐怕就是最适当的选择了。CYGNAL公司的C8051F320 SOC是一种具有8051内核的高性能单片机，运行速度为普通8051的12倍。

　　本文给出的是用于大型光伏系统运行状态监测的数据采集存储电路，由于采用表面贴片工艺制作，整个电路板的宽度仅为18毫米，就像使用U盘一样方便。

　　采集电路硬件部分

　　电路的硬件结构

　　本系统采用了CYGNAL公司的C8051F320芯片和ATMEL公司的AT45DB321C存储芯片作为控制和存储的主要芯片。图1是信号采集系统的采集及存储系统框图。

　　图1 基于USB数据采集及存储系统框图

　　从图1中可见，在采集过程中，传感器的输入模拟信号经可变增益放大器放大后送至C8051F320，经过ADC转换为数字信号。单片机片外有8个45DB321C芯片组成了一个32MB的Data flash存储器，采集到的数据不断地通过SPI接口传送到45DB321C芯片中存储。

　　与其他型号芯片相比,C8051F320带有USB接口，片内的USB功能控制模块符合USB2.0规范，可在全速或低速下运行，并具有1KB USB缓存、集成收发器，无需外部电阻。可以与PC机即插即用。当需要数据时，可将采集存储电路从现场取回，通过USB接口回放到PC机中，在LabVEIW平台上进行波形显示和数据分析处理。

　　8051F320与45DB321C的硬件接口

　　系统中C8051F320与45DB321CI采用SPI单主多从机的方式通信。引脚NSS作为从机选择线，选择存储芯片，低电平有效;SCK作为串行外设接口发送和接收数据的同步时钟信号;RDY/BUZ作为判断设备不忙或准备接收新的指令操作的信号线;SO、SI作为数据传输线。

　　本系统设计上考虑使用8片45DB321C芯片，最大容量达32MB,通过片选CS1~CS8分别连到各45DB321C的CS端。时钟SCK只对被选中的45DB321有效。本系统使用多片Flash芯片的设计除了提供充足的存储空间之外，还解决了一个关键问题，就是借鉴硬盘领域RAID技术的思路，通过对4片一组的Flash顺序操作实现一个基本的并行加速，解决了Flash写入速度过慢的问题，大大提高了存储性能。

　　具体电路如图2所示，其中8片存储器的SPI采用级联只画出一片，各自的CS片选信号由74HC138译码给出。

　　图2 单片机与FLASH存储器的接口电路

　　采集电路的程序软件

　　采集电路的程序是指固化在C8051F320 中的程序，采用c语言编写，由主程序模块、ADC数据采集、Flash数据存储和USB通信四部分组成。

　　主程序和ADC数据采集

　　主程序主要完成系统初始化状态指示操作控制和参数设置启动A/D转换等。

　　ADC数据采集程序将来自传感器的模拟信号转换成数字信号的。本系统中，ADC的转换是通过Timer2的自动溢出来触发的，而采集的速率可以事先通过上位机设置。

Flash数据存储程序

　　C8051F320芯片与Flash存储器的通信采用SPI接口方式，数据传输率为12MHz(位/秒)。本设计中，C8051F320工作在SPI主机模式，SPI总线的数据传输都将由C8051F320发起。首先对SPI相关SFR SPI0CFG寄存器和SPI0CN寄存器进行配置，使其工作在3线主模式12MHz。通信时首先用GPIO引脚来选择相应的Flash从器件，随后通过读取SPIDAT来进行读写操作。在使用Flash芯片进行读写操作时，首先要确定Flash存储器的状态。可通过写入D7H命令，读取状态寄存器判断设备是否Ready或处于Bus

　　y状态。确定状态后，可根据数据手册中的命令格式进行相关的读写以及擦除操作。

　　USB通信程序

　　固件编程是USB设备开发过程里的主要工作。固件的主要任务是初始化单片机和外设，发送USB请求，响应主机的标准设备请求。根据设备的功能分类完成各种数据交换请求。初始化编程主要完成USB控制器的初始化、端点初始化，交叉开关和I/O口初始化、系统时钟设置，控制器使能。初始化后，USB设备可随时插入主机中，主机将遵循USB协议对设备进行识别和初始化。主机识别到设备之后对设备进行配置，调用相应的驱动程序，配上上位机软件进行相关通信操作。

　　Silicon lab公司提供了USBXpress的开发套件。通过使用USBXpress库，大大简化了USB固件程序和PC端驱动程序的开发。 USBXpress通过一系列函数实现单片机端的应用程序接口(API)。这些函数封装了USB协议的细节，使得程序开发人员不需要了解USB的过多细节即可使用USB进行数据通信(见图3)。

　　图3 单片机与PC机的USB通信

　　本系统中主要用到了初始化、读、写、中断这四个函数：

　　初始化USB_Init(0,0xEA61,NULL,NULL,Serial,250,0x80,0x100)函数;块写函数Block_Write();块读函数Block_Read();USB中断使能函数。

　　USB的所有处理程序都是通过USB的中断服务程序完成的。进入USB中断后，程序调用Get_Interrupt_Source()函数获得USB中断的进入原因。然后根据不同的入口情况，来进行相应的处理。比如收到数据之后，读取相应的缓冲区内容到内存中;收到初始化命令时，复位单片机内的各个状态参数。USB通信流程图示于图4。

　　图4 USB通信流程图

　　PC机端软件程序

　　计算机端软件程序包括两部分：USB驱动程序和用户应用程序。

　　USB驱动程序

　　USB驱动程序是一个软件组件，封装了应用程序存取硬件设备的功能函数。有些设备具有相同的属性，把它们归为一组标准类别，可以定义设备类规范作为该类设备的主机驱动框架。设备类驱动程序使用相似的函数，处理不同设备间的通信，这样使设备类驱动程序的开发可以脱离设备制造商。

　　USB驱动程序模型一般分为五层(见图5)。

　　图5 USB驱动程序模型

　　用户端若要从设备读取数据，将调用一个应用程序接口API，如OpenFile，SiUSBXp.dll实现这个API。总线驱动程序控制对总线上所有设备的访问。

　　本系统中，开发USB设备驱动程序的工具使用了USBXpress Development Kit。主要函数如下：

　　I_Open()函数;SI_Close()函数;SI_Read函数;SI_Write()函数;SI_GetNumDevices()函数;SI_CheckRXQueue()函数。

　　用户应用程序

　　本系统中，应用程序采用NI公司的LabVIEW软件进行编写，运用图形化的C语言进行软件开发，实现数据的显示、满足不同需要的分析功能以及对数据采集硬件的参数设定(见图6)。