低成本的U盘数据采集器设计

引 言
    工业现场一般都需要数据采集器来完成各类数据采集任务。在很多实际应用中，往往要求数据采集器具有工作可靠、成本低廉、操作简单、数据便于收集和计算机分析等特点。U盘作为新型移动存储设备，以体积小、速度高、抗震动、通用性强的特点倍受青睐。如果能在嵌入式数据采集系统中实现USB主机功能，那么嵌入式数据采集器就能像PC机一样方便灵活地利用U盘这类USB存储设备进行数据存储。本文以带有片上A／D转换器的C8051F340处理器和USB接口芯片CH375为基础，设计了一款可对100 kHz以下的低频模拟信号进行10位深度采样的低成本数据采集器。该数据采集器具有USB主机功能，可将采集的数据以FAT32文件系统格式直接存储到普通U盘中。数据采集完毕后，用户可直接从采集器上取下U盘，利用计算机方便地实现对采集数据的收集和分析处理。
    下面分别介绍数据采集器系统方案设计和系统软硬件设计。

1 系统方案设计
    系统方案如图1所示，系统主要由C8051F340单片机和USB 接口芯片CH375构成。被测信号首先通过调理电路的抗混叠滤波和限幅处理，然后送给单片机片上A／D转换器进行采样，当采样数据达到一个扇区512字节后，单片机通过自身并口控制CH375向U盘写入采样数据。采样数据在U盘中以FAT32文件系统格式写入，并以文本文件形式保存。控制输入电路负责输入用户指令，以控制A／D工作模式和改变采样频率。单片机实现U盘读写和FAT32文件系统时，使用了南京沁恒电子有限公司开发的CH375HF5．LIB库中的多个函数，该库函数的详细信息可参考文献。

2 系统硬件设计
    由于C8051F340内部集成了高精度时钟源、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，因此对系统进行硬件设计时，无需再外扩上述电路，从而简化了系统硬件结构，提高了集成度和可靠性。
    如图2所示，电源模块生成的5 V电压一方面给U盘供电，一方面通过单片机的REGIN引脚输入到单片机的电压调节器，从而使单片机自己生成工作所需的3 V电压，并可将生成的3 V电压通过VDD引脚输出给其他3V器件使用。单片机利用P3口以及P20～P24通用I／O引脚模拟并口实现与CH375芯片的并口通信。这里需要注意两点。第一，C8051F340是3 V低功耗单片机，为了保证C8051F340与CH375的通信接口电平匹配，防止通信不稳定，选择了同样是3 V供电的CH375V芯片；另外，由于U盘是5 V供电驱动，而作为USB HOST的CH375是3 V供电，不能直接向U盘供电，因此需要5 V电源模块给U盘单独供电。第二，图2所示的CH375电路原理图并不完整，振荡器电路等附加电路没有全部画出，完整的电路可参考文献。被测信号经过信号调理电路后，通过单片机P25引脚进入单片机片上A／D转换器。为了使采集器能尽可能多地应用到不同采集领域，采集器A／D转换的参考电压、转化启动时钟、差分或单端采样选择、采样频率等参数设置均可根据图3所示的用户输入控制电路灵活改变。在图3的8位拨位开关中，开关1设置是差分采样还是单端采样，开关2设置A／D采样是使用内部还是外部参考电压，开关3设置A／D采样是由单片机定时器启动还是由外部输入更新时钟启动，开关4～8设置采样频率。开关4～8分别代表10 ksps、20ksps、30 ksps、40 ksps、100 ksps，通过开关4～8的不同组合，可以实现以10 ksps为步进，10～200 ksps采样频率的改变。例如，当8位拨位开关全部闭合时，意味着采样频率为200 ksps，且A／D转换采用单端采样方式，采样参考电压需从系统外部输入到图2中的VREF引脚，采样更新时钟需从系统外部输入到图2中的CNSTR引脚。另外，系统还设计了复位按键以及用于下载程序代码和进行调试的10针下载调试接口电路，如图4所示。

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3 系统软件设计
    如图5所示，C8051F340单片机主程序需要首先完成单片机I／O引脚的设置与相关寄存器配置，然后读取P4口用户输入控制指令，并根据用户指令设置A／D转换器参数，接着初始化CH375通信端口，进而初始化CH375芯片及其程序库。紧接着检查U盘是否插入，以及插入的U盘是否准备就绪。一旦U盘准备就绪，就在U盘新建文本文件格式的数据采集文件，然后打开文件，并使文件指针指向文件尾部以方便后面写入采集数据。所有准备工作完成，就可以启动A／D转换器。如果采样数据达到U盘1个扇区512字节，那么就可以将采样数据一次性写入U盘的1个扇区中。这里需要注意两点。第一，U盘读写可以字节为单位也可以块为单位，以字节为单位需要频繁访问U盘，从而导致U盘存储速度下降，使用寿命缩短，而以U盘1个扇区的512字节为单位读写U盘则可以很好地解决这个问题；另外，为了实现不间断实时采样，在设计数据的采集和存储时采用了“乒乓制”，即在单片机开辟了A、B两个512字节的RAM存储区，而A、B两个存储区分别交替完成存储采样数据和将采样数据搬移到U盘中的任务，相互独立工作，互不干扰，有效地解决了存储数据与搬移数据可能出现的冲突。第二，A／D转换器采集到的数据不是真实的电压值，而只是真实电压值与参考电压相比的相对值，因此为了今后对采样值分析方便，还需要计算出真实采样电压值，并将数字转换为字符后再存储到U盘采样数据文件中。

    C8051F340单片机通过CH375访问U盘是系统软件的核心部分，在实现这部分功能的程序中使用了南京沁恒电子有限公司开发的CH375HF5．LIB库函数。这里以系统插入U盘，向U盘写入512字节数据，然后拔出的过程为例，简单介绍单片机访问CH375的程序流程。
    系统初始化成功后，调用xQueryInterrupt()函数查询CH375中断并更新中断状态，等待U盘插入。U盘插入后，经过一段延时，系统调用CH375DiskReady()函数查询U盘是否准备就绪。U盘一旦就绪，系统调用mCopyCodeStringToIRAM()和CH375FileCreate()函数，在U盘根目录新建采样数据文件，并调用CH375FileOpen()函数打开文件，接着使用语句  

    mCmdParam．ByteLocate．mByteOffset=Oxffffffff使文件指针指向文件的尾部，以方便后面添加采样数据。如果已完成512字节采样数据的采集，则调用CH375FileWriteX()函数，实现U盘一个扇区的写操作。写操作完毕后，需要利用下列4个语句：
    mCmdParam．Modify．mFileAttr=Oxff
    mCmdParam．Modify．mFileTime=MAKE_FILE_TIME()
    mCmdParam．Modify．mFileDate=MAKE_FILE_DATE()
    mCmdParam．Modify．mFileSize=0xffffffff
    对文件属性、时间、日期、长度等参数进行修改，然后调用CH375FileModify()函数完成对上述4个文件属性的更新。最后系统调用CH375FileClose()函数关闭文件，调用xQueryInterrupt()函数查询CH375中断并更新中断状态，等待U盘拔出，从而最终完成对U盘的访问。

结语
    本文设计的数据采集器利用高度集成的C8051F340处理器实现了数据A／D转换和系统控制，利用CH375实现了采集器的USB主机功能，从而使采集的数据能以FAT32文件系统格式直接存储到U盘中。该采集器数据收集方便，便于计算机分析，同时仅有C8051F340和CH375两个主要器件，结构简单，工作稳定，只有名片大小，成本不足50元(不包括U盘)，已成功应用于工业现场。