USB接口的数据采集存储电路的设计.docx

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1、基于单片机 USB 接口的数据采集存储电路的设计在一些特别的工业场合，有时需要将传感器的信号不断的实时采集和存储起来，并且到肯定时间再把数据回放到 PC 机中进展分析和处理。在工作环境恶劣的状况下承受高性能的单片机和工业级大容量的 FLASH 存储器的方案生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，运行速度为一般 8051 的 12 倍。该芯片内部 528 字节随机 RAM 和2048 字节 XRAM 为数据缓冲和程序运行供给了充分的空间。更受欢送的是它的串行扩展功能为当前的各种串行芯片和外部设备接口的扩展供给了极大的便利

2、。高速的 SPI 硬件接口与串行 FLASH RAM 的无缝连接大大简化了电路板布线，而片内自带的 USB 接口功能使数据的存储和回放变得格外简洁和快捷。在 USB 接口协议的支持下，使这个采集存储电路的数据回放过程简洁到了极点。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，由于承受外表贴片工艺制作，整个电路板的宽度仅为 18 毫米，就像使用 U 盘一样便利。采集电路硬 件局部电路的硬件构造本系统承受了 CYGNAL 公司的 C8051F320 芯片和 Atmel代理商：聚兴科技公司的 AT45DB321C 存储芯片作为掌握和存储的主要芯片。图 1 是信号采集系统的采集及存储系统

3、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 功能掌握模块符合 USB2.0 标准，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

4、从现场取回，通过 USB 接口回放到 PC 机中，在 LabVEIW 平台上进展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 承受 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 作为推断设备不忙或预备接收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CS1CS8 分别连到各 45DB321C 的CS 端。时钟 SCK 只对被

5、选中的 45DB321 有效。本系统使用多片 Flash 芯片的设计除了供给充分的存储空间之外，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 挨次操作实现一个根本的并行加速，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 承受级联只画出一片， 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，承受 c 语言编写， 由主程序模块、ADC 数据采集、Flash 数

6、据存储和 USB 通信四局部组成。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掌握和参数设置启动 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 存储器的通信承受 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 存放器和 S

7、PI0CN 存放器进展配置，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 来进展读写操作。在使用 Flash 芯片进展读写操作时，首先要确定 Flash 存储器的状态。可通过写入 D7H 命令，读取状态存放器推断设备是否 Ready 或处于 Bus y 状态。确定状态后，可依据数据手册中的命令格式进展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 恳求，响应主机的标准设备恳求。依据设备的功能分类完成各种数据交换恳求。初始化编程

8、主要完成 USB 掌握器的初始化、端点初始化，穿插开关和I/O 口初始化、系统时钟设置，掌握器使能。初始化后，USB 设备可随时插入主机中，主机将遵循 USB 协议对设备进展识别和初始化。主机识别到设备之后对设备进展配置，调用相应的驱动程序，配上上位机软件进展相关通信操作。SilICon lab 公司供给了 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 US

9、B 进展数据通信(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 的全部处理程序都是通过 USB 的中断效劳程序完成的。进入 USB 中断后，程序调用 Get_Interrupt_Source函数获得 USB 中断的进入缘由。然后依据不同的入口状况，来进展相应的处理。比方收到数据之后，读取相应的缓冲区内容到内存中；收到初始化命令时，复

10、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局部：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。有些设备具有一样的属性，把它们归为一组标准类别，可以定义设备类标准作为该类设备的主机驱动框架。设备类驱动程序使用相像的函数，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假设要从设备读取数据，将调用一个应用程序接口 API，如OpenFile，SiUS

11、BXp.dll 实现这个 API。总线驱动程序掌握对总线上全部设备的访问。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：SI_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，应用程序承受 NI 公司的 LabVIEW 软件进展编写，运用图形化的 C 语言进展软件开发，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)。图 6 回放数据波形显示界面结语基于C8051F320 USB 接口的采集存储电路把计算机技术与传统信号采集技术严密结合起来，充分发挥 PC 机和单片机各自的优点，实现传感器信号的采集、存储、显示和处理。而借助USB 接口的通信功能，减小了数据传输系统的简单性。