以C8051F340單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1引言

電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性直接影響到現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)， 設(shè)備發(fā)生故障后高昂的維修費(fèi)以及設(shè)備停機(jī)后給企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的損失， 使得各個(gè)企業(yè)紛紛采取措施， 降低設(shè)備的故障率。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)準(zhǔn)確的獲取設(shè)備運(yùn)行特征數(shù)據(jù)， 并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否良好， 達(dá)到提前預(yù)防故障出現(xiàn)、減少停機(jī)檢修的目的。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性， 準(zhǔn)確性和便攜性要求很高。目前常用的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（如RS232 /RS485， CAN 等）已經(jīng)不能滿足大量采集數(shù)據(jù)和高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。?a target="_blank">USB傳輸具有高速可靠傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)， 具有成本低、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。本文以帶有片上USB 和高速AD轉(zhuǎn)換器的C8051F340為核心控制器件， 利用USB總線高速傳輸?shù)奶匦裕?設(shè)計(jì)了一款高速度低成本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 采集信號(hào)包括該設(shè)備輸出氣體的溫度、壓力和流量等14個(gè)參數(shù)， 適用于特定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集工作。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示， 系統(tǒng)主要由C8051F340數(shù)據(jù)采集模塊與上位PC機(jī)構(gòu)成。需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)前端的傳感器轉(zhuǎn)換后送入預(yù)處理電路， 從預(yù)處理電路輸出的數(shù)據(jù)通過I/O端口送入AD轉(zhuǎn)換端口，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)保存到C8051F340單片機(jī)， 最后通過USB把數(shù)據(jù)送入上位PC機(jī)保存處理。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

在整個(gè)硬件設(shè)計(jì)中C8051F340 單片機(jī)是系統(tǒng)重要的組成部分。C8051F340單片機(jī)是S ilicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核（ 可達(dá)48M IPS ）; 通用串行總線（USB ）功能控制器， 有8 個(gè)靈活的端點(diǎn)管道， 集成收發(fā)器和1K FIFO RAM; 真正10位200ksps的單端/差分ADC， 帶模擬多路器; 片內(nèi)電壓基準(zhǔn)和溫度傳感器; 精確校準(zhǔn)的12MH z內(nèi)部振蕩器和4 倍時(shí)鐘乘法器; 多達(dá)64KB 的片內(nèi)FLASH 存儲(chǔ)器; 多達(dá)4352字節(jié)片內(nèi)RAM （ 256+ 4KB ）; 多達(dá)40個(gè)端口I/O （容許5V 輸入）采集系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。

由于C8051F340本身集成眾多硬件電路的特性， 硬件接口設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單， 不需要再添加額外的電子元器件就能實(shí)現(xiàn)USB 的數(shù)據(jù)傳輸和AD轉(zhuǎn)換等， 使得系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 集成度高， 可靠性好。如圖2所示， 單片機(jī)通過片上USB 接口與上位PC 機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。C8051F340上的P2. 0~ P2. 6引腳作為數(shù)據(jù)采集的輸入端口， 接受來(lái)自預(yù)處理電路輸送過來(lái)的數(shù)據(jù)， 最后通過單片機(jī)的模擬多路選擇器（ AMUX） 最終決定進(jìn)入AD 轉(zhuǎn)換的通道。

圖2 數(shù)據(jù)采集硬件原理圖。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分包括單片機(jī)固件和上位PC 機(jī)客戶端程序。單片機(jī)固件主要負(fù)責(zé)單片機(jī)初始化及與上位機(jī)的通信準(zhǔn)備， 而客戶端程序則負(fù)責(zé)對(duì)固件中相應(yīng)控制的調(diào)用， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸控制、數(shù)據(jù)保存以及故障的預(yù)警。

4. 1 單片機(jī)固件（ firmw are）

單片機(jī)固件采用K eil uV ision3軟件進(jìn)行編寫，由主程序， AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， USB通訊三個(gè)模塊組成。

主程序負(fù)責(zé)初始化單片機(jī)的各個(gè)端口和功能模塊， 設(shè)置相應(yīng)的IO 端口為數(shù)據(jù)輸入端口， 完成各項(xiàng)初始化后通過vo id USB_API_TEST _ISR （ void）函數(shù)進(jìn)入U(xiǎn)SB中斷服務(wù)， 在中斷服務(wù)中通過調(diào)用Get_Interrupt_Source（ ）函數(shù)獲得USB 中斷源。然后根據(jù)不同的入口情況， 來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理。比如收到初始化命令時(shí)， 復(fù)位單片機(jī)內(nèi)的各個(gè)狀態(tài)參數(shù)。

AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊主要負(fù)責(zé)AD轉(zhuǎn)換時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔、采樣精度的設(shè)置。C8051F340單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)有6 種觸發(fā)方式， 由ADC0CN 中的ADC0轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式位（ AD0CM2..0）的狀態(tài)決定采用哪一種方式。本系統(tǒng)則是是通過單片機(jī)中的定時(shí)器2的每次計(jì)時(shí)溢出來(lái)觸發(fā)AD 轉(zhuǎn)換。為確保每次定時(shí)器觸發(fā)AD 轉(zhuǎn)換時(shí)上一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完全結(jié)束， 因此定時(shí)器2溢出后到下一次計(jì)時(shí)溢出的時(shí)間間隔（ Tcon t）必須要大于AD 轉(zhuǎn)換時(shí)間， 才能保證每次AD轉(zhuǎn)換的完整進(jìn)行。AD 轉(zhuǎn)換時(shí)間由建立轉(zhuǎn)換時(shí)間（ Tsettle）和采樣時(shí)間（ Tsample）構(gòu)成。圖3所示為在差分方式下等效的AD 轉(zhuǎn)換的輸入電路。對(duì)于一個(gè)給定的建立精度（ SA ） 的系統(tǒng)中， 所需要的ADC 建立時(shí)間（ Tsettle）可以用方程1來(lái)確定。而采樣時(shí)間（ Tsamp le）通過查詢技術(shù)手冊(cè)得知需要10個(gè)SAR 時(shí)鐘。Tcon t則必須要滿足式（ 2）和式（ 3）， 才能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 AD 轉(zhuǎn)換等效輸入電路。

其中： SA 是建立精度， 用一個(gè)LSB 的分?jǐn)?shù)表示（例如， 建立精度0. 25對(duì)應(yīng)1 /4LSB ）; t為所需要的建立時(shí)間（ Tsettle）， 以秒為單位; n為ADC 的分辨率，用比特表示。Rtota l為AMUX 電阻與外部信號(hào)源電阻之和; C samp le為ADC采樣電容：

其中： K 為定時(shí)器2溢出后重載的計(jì)數(shù)數(shù)值; clk 為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

USB通訊模塊則設(shè)置單片機(jī)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸模式。根據(jù)USB 通信協(xié)議要求， 設(shè)置相應(yīng)寄存器來(lái)配置USB中端點(diǎn)0與端點(diǎn)2跟上位主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， 其中端點(diǎn)0負(fù)責(zé)與主機(jī)的控制命令接收與響應(yīng)， 端點(diǎn)2 負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔恢鳈C(jī)， 同時(shí)配置端點(diǎn)2在U SB0的FIFO 分配中256字節(jié)使用空間全部為數(shù)據(jù)輸出。由于C8051F340 整合的是10位ADC控制器， 采集到的數(shù)據(jù)填充為16位數(shù)據(jù)， 以先低8 位， 后高8位將數(shù)據(jù)保存到系統(tǒng)的RAM 中， 而一次AD 轉(zhuǎn)換能得到2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)， 因此為了每次數(shù)據(jù)上傳時(shí)充分利用端點(diǎn)2的使用空間， 在ADC中斷響應(yīng)函數(shù)中添加一個(gè)變量i來(lái)檢測(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的次數(shù)， 在進(jìn)行完128次AD轉(zhuǎn)換后通過調(diào)用B lock_W rite（ ）函數(shù)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。部分代碼如下：

4. 2 上位PC 機(jī)客戶端程序

上位PC 機(jī)客戶端程序包括USB 驅(qū)動(dòng)程序和用戶應(yīng)用程序兩個(gè)部分。

USB驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)軟件組件， 封裝了應(yīng)用程序存取硬件設(shè)備的功能函數(shù)。有些設(shè)備具有相同的屬性， 把它們歸為一組標(biāo)準(zhǔn)類別， 可以定義設(shè)備類規(guī)范作為該類設(shè)備的主機(jī)驅(qū)動(dòng)框架。設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序使用相似的函數(shù)， 處理不同設(shè)備間的通信，這樣使設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)可以脫離設(shè)備制造商。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序使用了Silicon Laboratories公司提供的USB Xpress開發(fā)包， 在V isua l C ++ 6. 0環(huán)境下開發(fā)， 封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL 的形式供用戶應(yīng)用程序調(diào)用。

用戶應(yīng)用程序采用C + + 編寫， 由客戶交互界面， USB數(shù)據(jù)通信， 數(shù)據(jù)保存顯示， 設(shè)備故障預(yù)警四個(gè)模塊組成。在USB 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計(jì)中， 使用S ilicon Laboratories公司提供的S I_GetN umDevices，S I_GetProductString （ ）， SI_Open（ ）， SI_C lose（ ） ， SI_Read（ ） ， SI_W rite（ ） 等API函數(shù)， 屏蔽了對(duì)底層硬件操作中USB 復(fù)雜的通信協(xié)議， 簡(jiǎn)化了USB 通信開發(fā)， 使得開發(fā)USB 通信的程序變得更容易 。

程序流程圖如圖4所示。

圖4 客戶端應(yīng)用程序流程圖。

誘發(fā)設(shè)備出現(xiàn)故障的原因很多， 為保證設(shè)備正常運(yùn)行需要檢測(cè)多方面的數(shù)據(jù)， 本系統(tǒng)主要是檢測(cè)設(shè)備的溫度和壓力等的數(shù)據(jù)， 檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)一旦超過某個(gè)界限， 表示設(shè)備可能出現(xiàn)故障。因此為了保證設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作， 需要對(duì)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與事先設(shè)好的臨界值進(jìn)行對(duì)比， 一旦超過臨界值， 系統(tǒng)則發(fā)出警報(bào)提醒工作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障排查， 起到了故障預(yù)警的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

基于USB 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可供選擇的方案很多， 而本設(shè)計(jì)從便攜式和高速傳輸考慮， 編寫了固件和客戶端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 使得該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方便攜帶， 數(shù)據(jù)傳輸高速準(zhǔn)確， 具有良好的人機(jī)交互界面， 并能對(duì)一定的設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警提醒， 有較大的使用價(jià)值。而且單片機(jī)端口資源還沒有用完，還有開發(fā)和擴(kuò)展的空間。