低成本的U盤數據采集器設計
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工業(yè)現場一般都需要數據采集器來完成各類數據采集任務。在很多實際應用中，往往要求數據采集器具有工作可靠、成本低廉、操作簡單、數據便于收集和計算機分析等特點。U盤作為新型移動存儲設備，以體積小、速度高、抗震動、通用性強的特點倍受青睞。如果能在嵌入式數據采集系統中實現USB主機功能，那么嵌入式數據采集器就能像PC機一樣方便靈活地利用U盤這類USB存儲設備進行數據存儲。本文以帶有片上A／D轉換器的C8051F340處理器和USB接口芯片CH375為基礎，設計了一款可對100 kHz以下的低頻模擬信號進行10位深度采樣的低成本數據采集器。該數據采集器具有USB主機功能，可將采集的數據以FAT32文件系統格式直接存儲到普通U盤中。數據采集完畢后，用戶可直接從采集器上取下U盤，利用計算機方便地實現對采集數據的收集和分析處理。
下面分別介紹數據采集器系統方案設計和系統軟硬件設計。
1 系統方案設計
系統方案如圖1所示，系統主要由C8051F340單片機和USB 接口芯片CH375構成。被測信號首先通過調理電路的抗混疊濾波和限幅處理，然后送給單片機片上A／D轉換器進行采樣，當采樣數據達到一個扇區(qū)512字節(jié)后，單片機通過自身并口控制CH375向U盤寫入采樣數據。采樣數據在U盤中以FAT32文件系統格式寫入，并以文本文件形式保存?？刂戚斎腚娐坟撠熭斎胗脩糁噶?，以控制A／D工作模式和改變采樣頻率。單片機實現U盤讀寫和FAT32文件系統時，使用了南京沁恒電子有限公司開發(fā)的CH375HF5．LIB庫中的多個函數，該庫函數的詳細信息可參考文獻。
2 系統硬件設計
由于C8051F340內部集成了高精度時鐘源、電壓調節(jié)器、A／D轉換器以及用于A／D轉換的參考電壓源等豐富的片上外設，因此對系統進行硬件設計時，無需再外擴上述電路，從而簡化了系統硬件結構，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盤供電，一方面通過單片機的REGIN引腳輸入到單片機的電壓調節(jié)器，從而使單片機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VDD引腳輸出給其他3V器件使用。單片機利用P3口以及P20～P24通用I／O引腳模擬并口實現與CH375芯片的并口通信。這里需要注意兩點。第一，C8051F340是3 V低功耗單片機，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盤是5 V供電驅動，而作為USB HOST的CH375是3 V供電，不能直接向U盤供電，因此需要5 V電源模塊給U盤單獨供電。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有全部畫出，完整的電路可參考文獻。被測信號經過信號調理電路后，通過單片機P25引腳進入單片機片上A／D轉換器。為了使采集器能盡可能多地應用到不同采集領域，采集器A／D轉換的參考電壓、轉化啟動時鐘、差分或單端采樣選擇、采樣頻率等參數設置均可根據圖3所示的用戶輸入控制電路靈活改變。在圖3的8位撥位開關中，開關1設置是差分采樣還是單端采樣，開關2設置A／D采樣是使用內部還是外部參考電壓，開關3設置A／D采樣是由單片機定時器啟動還是由外部輸入更新時鐘啟動，開關4～8設置采樣頻率。開關4～8分別代表10 ksps、20ksps、30 ksps、40 ksps、100 ksps，通過開關4～8的不同組合，可以實現以10 ksps為步進，10～200 ksps采樣頻率的改變。例如，當8位撥位開關全部閉合時，意味著采樣頻率為200 ksps，且A／D轉換采用單端采樣方式，采樣參考電壓需從系統外部輸入到圖2中的VREF引腳，采樣更新時鐘需從系統外部輸入到圖2中的CNSTR引腳。另外，系統還設計了復位按鍵以及用于下載程序代碼和進行調試的10針下載調試接口電路，如圖4所示。
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