C8051F060的USB高速A／D數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由工控機(jī)、USBl00、C805lF060單片機(jī)、多路模擬切換開關(guān)、四路模擬運(yùn)算放大器、可反復(fù)充放電的鋰離子電池等構(gòu)成。系統(tǒng)電路原理框圖如圖1所示。

1．1 C8051F060單片機(jī)
C8051F060是Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。具有59個(gè)數(shù)字I／0引腳，片內(nèi)集成了2個(gè)16位、1 Msps的ADC；有與高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP一51內(nèi)核(可達(dá)25MIPS)，有DMA控制器和局域網(wǎng)(CAN2．OB)控制器；32個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有自己的標(biāo)識(shí)屏蔽；具有全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))，10位、200 ksps的ADC，帶8通道模擬多路開關(guān)，2個(gè)12位DAC；具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；64 KB可在系統(tǒng)編程的Flash內(nèi)存，4352(4K+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM，可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和2個(gè)UART串行接口；5個(gè)通用的16位定時(shí)器，6個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器數(shù)組，片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器、時(shí)鐘振蕩器和溫度傳感器。
C8051F060是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能／禁止和配置。Flash存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。
C8051F060單片機(jī)的P0．O配置為外部中斷源(INT0)。P0．1配置為外部中斷源(INTl)，下降沿觸發(fā)輸入，當(dāng)USBl00模塊接收到工控機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)INTl中斷。PO．2配置為通用I／0，當(dāng)電池電壓低到一定程度時(shí)被MCU檢測(cè)到并做低電壓處理。P3．0～P3．7配置為通用I／0，P3．0用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，P3．1用作USBl00的寫控制線，P3．2用作USBl00的讀控制線，P3．3、P3．4用作模擬控制開關(guān)的控制線，P3．5用于控制傳感器的供電(當(dāng)不需要采集數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)掉傳感器電源以減少系統(tǒng)功耗)，P3．6、P3．7用作電平轉(zhuǎn)換芯片74ALVCl64245的數(shù)據(jù)方向選擇控制線。P1配置為通用I／O，作為8位并行數(shù)據(jù)線。P5配置為通用I／O，作為8位撥碼開關(guān)的輸入，用8位撥碼開關(guān)設(shè)定MCU的數(shù)據(jù)采集速度。C8051F060接線圖如圖2所示。

1．2 USBl00通用串行總線模塊
USBlOO是基于ASIC設(shè)計(jì)的，內(nèi)部封裝了USBl．1全部協(xié)議以及300位元組的內(nèi)部FIF0，8位并行數(shù)據(jù)接口，對(duì)USB的操作類似于對(duì)外部內(nèi)存的操作，由USBl00模塊完成全部協(xié)議的轉(zhuǎn)換和封裝，使開發(fā)的過程變得簡單。注意：由于USBlOO輸出TTL電平的數(shù)據(jù)，可以與5V的單片機(jī)很好地連接，而C8051F060是3．3 V的系統(tǒng)，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，中間需要增加3～5 V電平轉(zhuǎn)換電路。
DO～D7：數(shù)據(jù)口是一個(gè)8位雙向I／0口。它是一個(gè)8位并口，C8051F060通過它和USBlOO交換數(shù)據(jù)。
RD：允許內(nèi)部接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)通過8位并行總線讀出。
WR：將8位并行總線上的數(shù)據(jù)鎖存入內(nèi)部緩沖區(qū)。
TXE：高表示模塊發(fā)送緩沖區(qū)已滿；低表示發(fā)送緩沖區(qū)為空，可以發(fā)送數(shù)據(jù)。
RXF：高表示模塊沒有數(shù)據(jù)輸出；低表示模塊有數(shù)據(jù)輸出，可以讀數(shù)據(jù)。
LISBVCC：USB界面的電源腳。
D+：USB數(shù)據(jù)腳。
D一：USB數(shù)據(jù)腳。
GND：電源地。
0UTVCC：+5V輸出，可以提供給外部MCU使用，最大為400 mA。
NC：空引腳。
USBl00模塊的控制時(shí)序：
發(fā)送時(shí)序如圖3所示。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到USBl00模塊TXE為低時(shí)，表示內(nèi)部發(fā)送緩沖區(qū)允許發(fā)送數(shù)據(jù)，可以將數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)總線DO～D7發(fā)給USBl00模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)鎖存由WR控制；USBl00模塊TXE為高時(shí)，禁止發(fā)送數(shù)據(jù)。

接收時(shí)序如圖4所示，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到USBl00模塊RXF為低時(shí)，表示內(nèi)部接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，可以通過8位數(shù)據(jù)總線DO～D7發(fā)給C8051F060單片機(jī)，接收數(shù)據(jù)鎖存由RD控制。
1．3 多路模擬切換開關(guān)
因?yàn)镃8051F060只有2路高速A／D轉(zhuǎn)換器，而實(shí)際上有4路模擬量需要采集，故需要一個(gè)多路模擬切換開關(guān)。NLAS4684是兩路單刀雙執(zhí)CMOS模擬切換開關(guān)，具有很低的導(dǎo)通電阻。當(dāng)ADO_CON、ADl_CON為高電平時(shí)，運(yùn)放的輸出OUT2進(jìn)入ADO進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，運(yùn)放的輸出OUT4進(jìn)入ADl進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換；當(dāng)ADO_CON、ADl_CON為低電平時(shí)，運(yùn)放的輸出OUTl進(jìn)入ADO進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，運(yùn)放的輸出OUT3進(jìn)入AD1進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

1．4 模擬運(yùn)算放大電路
LM134、R1、R2、D1構(gòu)成恒流源電路，對(duì)橋式電路傳感器提供恒流源。橋式電路傳感器輸出信號(hào)INl+、INl一經(jīng)INA326EA放大后送入多路模擬切換開關(guān)，然后由C805lF060的A／D電路進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。INA326EA是一款單電壓供電、高性能、低功耗、滿幅度輸入輸出的儀表運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器電路放大倍數(shù)G=2K1／R3?？偣灿?路模擬運(yùn)算放大電路。圖6為其中一路模擬運(yùn)算放大電路。

1．5 供電電路
為了符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)便攜式的需要，選用上海捷士電池制品有限公司的JS一7．4V一1．2Ah可反復(fù)充放電的鋰離子電池。電池采用鋰離子083448電芯，組合方式為兩串，電池容量1．2 Ah，電池電壓7．4 V，外形尺寸50 mm37mm17 mm，重量55 g。該電池具有電池過充保護(hù)、過放保護(hù)、短路保護(hù)、過流保護(hù)功能(這些功能已經(jīng)集成在電池內(nèi)部，便于使用)。TPS76650[)是具有250 mA輸出能力的LDO芯片，電池電壓通過該芯片的5、6腳輸入，7腳輸出穩(wěn)定的+5 V電壓供系統(tǒng)使用；2腳是對(duì)TPS76650D是否工作正常的指示輸出，當(dāng)芯片工作正常時(shí)，2腳輸出高電平，當(dāng)芯片輸出電壓在4．6～4．9 V時(shí)，2腳輸出低電
平，R1為外部上拉電阻。TPSll00為大電流驅(qū)動(dòng)能力、低導(dǎo)通電阻的電源分配開關(guān)；輸出5 V電壓為傳感器電路提供恒流源，通過SPXlll7穩(wěn)壓成3．3 V為傳感器放大電路供電。為了節(jié)省耗電，C8051F060可以通過TPSll00的4腳關(guān)掉傳感器電路的恒流源和放大電路。
另外，當(dāng)采集器和計(jì)算機(jī)通過USB相接時(shí)，因?yàn)閁SB提供+5 V／500 mA電源，采集器可以通過USB連接線對(duì)采集器供電。供電電路如圖7所示。

2 采集系統(tǒng)的編程
2．1 單片機(jī)編程
采用Silicon公司的Silicon Laboratories IDE集成編輯、編譯、仿真、下載軟件包，用C語言進(jìn)行軟件編寫。系統(tǒng)通電后，首先要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的I／0端口和交叉開關(guān)、定時(shí)器的初始化，A／D轉(zhuǎn)換器的初始化以及A／D參考電壓的初始化等。工控機(jī)通過USB口對(duì)便攜式數(shù)據(jù)采集器發(fā)送0x41、0x42、0x43、0x4_4，便攜式數(shù)據(jù)采集器分別回送傳感器1、2、2、4的200個(gè)A／D采集數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后。(部分源代碼程序略――編者注)
2．2 工控機(jī)編程
在工控機(jī)上安裝好USBlOO模塊的專用驅(qū)動(dòng)程序后，USBl00即可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，按照與串口完全一樣的方法進(jìn)行編程。本次設(shè)計(jì)采用了VB編程。在VB中采用MSComm控件，將USB接口作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串口使用。程序分為兩部分：一部分是USB接口程序；另一部分是應(yīng)用程序。將由C8051F060采集到的數(shù)據(jù)用直觀的圖像方法顯示出來。

結(jié) 語
C8051F060作為新一代8051單片機(jī)，具有功能強(qiáng)大、體積小、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。本文只介紹了基于C8051F060的USB高速A／D數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器已經(jīng)成功運(yùn)用于某工程中。對(duì)其他相類似的數(shù)據(jù)采集、USB數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。