引 言
    工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般都需要數(shù)據(jù)采集器來(lái)完成各類(lèi)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。在很多實(shí)際應(yīng)用中，往往要求數(shù)據(jù)采集器具有工作可靠、成本低廉、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)便于收集和計(jì)算機(jī)分析等特點(diǎn)。U盤(pán)作為新型移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，以體積小、速度高、抗震動(dòng)、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)倍受青睞。如果能在嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)功能，那么嵌入式數(shù)據(jù)采集器就能像PC機(jī)一樣方便靈活地利用U盤(pán)這類(lèi)USB存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本文以帶有片上A／D轉(zhuǎn)換器的C8051F340處理器和USB接口芯片CH375為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款可對(duì)100 kHz以下的低頻模擬信號(hào)進(jìn)行10位深度采樣的低成本數(shù)據(jù)采集器。該數(shù)據(jù)采集器具有USB主機(jī)功能，可將采集的數(shù)據(jù)以FAT32文件系統(tǒng)格式直接存儲(chǔ)到普通U盤(pán)中。數(shù)據(jù)采集完畢后，用戶(hù)可直接從采集器上取下U盤(pán)，利用計(jì)算機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的收集和分析處理。
    下面分別介紹數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)方案如圖1所示，系統(tǒng)主要由C8051F340單片機(jī)和USB 接口芯片CH375構(gòu)成。被測(cè)信號(hào)首先通過(guò)調(diào)理電路的抗混疊濾波和限幅處理，然后送給單片機(jī)片上A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)達(dá)到一個(gè)扇區(qū)512字節(jié)后，單片機(jī)通過(guò)自身并口控制CH375向U盤(pán)寫(xiě)入采樣數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)在U盤(pán)中以FAT32文件系統(tǒng)格式寫(xiě)入，并以文本文件形式保存?？刂戚斎腚娐坟?fù)責(zé)輸入用戶(hù)指令，以控制A／D工作模式和改變采樣頻率。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)U盤(pán)讀寫(xiě)和FAT32文件系統(tǒng)時(shí)，使用了南京沁恒電子有限公司開(kāi)發(fā)的CH375HF5．LIB庫(kù)中的多個(gè)函數(shù)，該庫(kù)函數(shù)的詳細(xì)信息可參考文獻(xiàn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    由于C8051F340內(nèi)部集成了高精度時(shí)鐘源、電壓調(diào)節(jié)器、A／D轉(zhuǎn)換器以及用于A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓源等豐富的片上外設(shè)，因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)需再外擴(kuò)上述電路，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，提高了集成度和可靠性。
    如圖2所示，電源模塊生成的5 V電壓一方面給U盤(pán)供電，一方面通過(guò)單片機(jī)的REGIN引腳輸入到單片機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器，從而使單片機(jī)自己生成工作所需的3 V電壓，并可將生成的3 V電壓通過(guò)VDD引腳輸出給其他3V器件使用。單片機(jī)利用P3口以及P20～P24通用I／O引腳模擬并口實(shí)現(xiàn)與CH375芯片的并口通信。這里需要注意兩點(diǎn)。第一，C8051F340是3 V低功耗單片機(jī)，為了保證C8051F340與CH375的通信接口電平匹配，防止通信不穩(wěn)定，選擇了同樣是3 V供電的CH375V芯片；另外，由于U盤(pán)是5 V供電驅(qū)動(dòng)，而作為USB HOST的CH375是3 V供電，不能直接向U盤(pán)供電，因此需要5 V電源模塊給U盤(pán)單獨(dú)供電。第二，圖2所示的CH375電路原理圖并不完整，振蕩器電路等附加電路沒(méi)有全部畫(huà)出，完整的電路可參考文獻(xiàn)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，通過(guò)單片機(jī)P25引腳進(jìn)入單片機(jī)片上A／D轉(zhuǎn)換器。為了使采集器能盡可能多地應(yīng)用到不同采集領(lǐng)域，采集器A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓、轉(zhuǎn)化啟動(dòng)時(shí)鐘、差分或單端采樣選擇、采樣頻率等參數(shù)設(shè)置均可根據(jù)圖3所示的用戶(hù)輸入控制電路靈活改變。在圖3的8位撥位開(kāi)關(guān)中，開(kāi)關(guān)1設(shè)置是差分采樣還是單端采樣，開(kāi)關(guān)2設(shè)置A／D采樣是使用內(nèi)部還是外部參考電壓，開(kāi)關(guān)3設(shè)置A／D采樣是由單片機(jī)定時(shí)器啟動(dòng)還是由外部輸入更新時(shí)鐘啟動(dòng)，開(kāi)關(guān)4～8設(shè)置采樣頻率。開(kāi)關(guān)4～8分別代表10 ksps、20ksps、30 ksps、40 ksps、100 ksps，通過(guò)開(kāi)關(guān)4～8的不同組合，可以實(shí)現(xiàn)以10 ksps為步進(jìn)，10～200 ksps采樣頻率的改變。例如，當(dāng)8位撥位開(kāi)關(guān)全部閉合時(shí)，意味著采樣頻率為200 ksps，且A／D轉(zhuǎn)換采用單端采樣方式，采樣參考電壓需從系統(tǒng)外部輸入到圖2中的VREF引腳，采樣更新時(shí)鐘需從系統(tǒng)外部輸入到圖2中的CNSTR引腳。另外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了復(fù)位按鍵以及用于下載程序代碼和進(jìn)行調(diào)試的10針下載調(diào)試接口電路，如圖4所示。

[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    如圖5所示，C8051F340單片機(jī)主程序需要首先完成單片機(jī)I／O引腳的設(shè)置與相關(guān)寄存器配置，然后讀取P4口用戶(hù)輸入控制指令，并根據(jù)用戶(hù)指令設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換器參數(shù)，接著初始化CH375通信端口，進(jìn)而初始化CH375芯片及其程序庫(kù)。緊接著檢查U盤(pán)是否插入，以及插入的U盤(pán)是否準(zhǔn)備就緒。一旦U盤(pán)準(zhǔn)備就緒，就在U盤(pán)新建文本文件格式的數(shù)據(jù)采集文件，然后打開(kāi)文件，并使文件指針指向文件尾部以方便后面寫(xiě)入采集數(shù)據(jù)。所有準(zhǔn)備工作完成，就可以啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器。如果采樣數(shù)據(jù)達(dá)到U盤(pán)1個(gè)扇區(qū)512字節(jié)，那么就可以將采樣數(shù)據(jù)一次性寫(xiě)入U(xiǎn)盤(pán)的1個(gè)扇區(qū)中。這里需要注意兩點(diǎn)。第一，U盤(pán)讀寫(xiě)可以字節(jié)為單位也可以塊為單位，以字節(jié)為單位需要頻繁訪(fǎng)問(wèn)U盤(pán)，從而導(dǎo)致U盤(pán)存儲(chǔ)速度下降，使用壽命縮短，而以U盤(pán)1個(gè)扇區(qū)的512字節(jié)為單位讀寫(xiě)U盤(pán)則可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題；另外，為了實(shí)現(xiàn)不間斷實(shí)時(shí)采樣，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)時(shí)采用了“乒乓制”，即在單片機(jī)開(kāi)辟了A、B兩個(gè)512字節(jié)的RAM存儲(chǔ)區(qū)，而A、B兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)分別交替完成存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)和將采樣數(shù)據(jù)搬移到U盤(pán)中的任務(wù)，相互獨(dú)立工作，互不干擾，有效地解決了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與搬移數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的沖突。第二，A／D轉(zhuǎn)換器采集到的數(shù)據(jù)不是真實(shí)的電壓值，而只是真實(shí)電壓值與參考電壓相比的相對(duì)值，因此為了今后對(duì)采樣值分析方便，還需要計(jì)算出真實(shí)采樣電壓值，并將數(shù)字轉(zhuǎn)換為字符后再存儲(chǔ)到U盤(pán)采樣數(shù)據(jù)文件中。

    C8051F340單片機(jī)通過(guò)CH375訪(fǎng)問(wèn)U盤(pán)是系統(tǒng)軟件的核心部分，在實(shí)現(xiàn)這部分功能的程序中使用了南京沁恒電子有限公司開(kāi)發(fā)的CH375HF5．LIB庫(kù)函數(shù)。這里以系統(tǒng)插入U(xiǎn)盤(pán)，向U盤(pán)寫(xiě)入512字節(jié)數(shù)據(jù)，然后拔出的過(guò)程為例，簡(jiǎn)單介紹單片機(jī)訪(fǎng)問(wèn)CH375的程序流程。
    系統(tǒng)初始化成功后，調(diào)用xQueryInterrupt()函數(shù)查詢(xún)CH375中斷并更新中斷狀態(tài)，等待U盤(pán)插入。U盤(pán)插入后，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用CH375DiskReady()函數(shù)查詢(xún)U盤(pán)是否準(zhǔn)備就緒。U盤(pán)一旦就緒，系統(tǒng)調(diào)用mCopyCodeStringToIRAM()和CH375FileCreate()函數(shù)，在U盤(pán)根目錄新建采樣數(shù)據(jù)文件，并調(diào)用CH375FileOpen()函數(shù)打開(kāi)文件，接著使用語(yǔ)句  

    mCmdParam．ByteLocate．mByteOffset=Oxffffffff使文件指針指向文件的尾部，以方便后面添加采樣數(shù)據(jù)。如果已完成512字節(jié)采樣數(shù)據(jù)的采集，則調(diào)用CH375FileWriteX()函數(shù)，實(shí)現(xiàn)U盤(pán)一個(gè)扇區(qū)的寫(xiě)操作。寫(xiě)操作完畢后，需要利用下列4個(gè)語(yǔ)句：
    mCmdParam．Modify．mFileAttr=Oxff
    mCmdParam．Modify．mFileTime=MAKE_FILE_TIME()
    mCmdParam．Modify．mFileDate=MAKE_FILE_DATE()
    mCmdParam．Modify．mFileSize=0xffffffff
    對(duì)文件屬性、時(shí)間、日期、長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行修改，然后調(diào)用CH375FileModify()函數(shù)完成對(duì)上述4個(gè)文件屬性的更新。最后系統(tǒng)調(diào)用CH375FileClose()函數(shù)關(guān)閉文件，調(diào)用xQueryInterrupt()函數(shù)查詢(xún)CH375中斷并更新中斷狀態(tài)，等待U盤(pán)拔出，從而最終完成對(duì)U盤(pán)的訪(fǎng)問(wèn)。

結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器利用高度集成的C8051F340處理器實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)A／D轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)控制，利用CH375實(shí)現(xiàn)了采集器的USB主機(jī)功能，從而使采集的數(shù)據(jù)能以FAT32文件系統(tǒng)格式直接存儲(chǔ)到U盤(pán)中。該采集器數(shù)據(jù)收集方便，便于計(jì)算機(jī)分析，同時(shí)僅有C8051F340和CH375兩個(gè)主要器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，只有名片大小，成本不足50元(不包括U盤(pán))，已成功應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。