引 言

　　工業(yè)現(xiàn)場一般都需要數(shù)據(jù)采集器來完成各類數(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、操作簡單、數(shù)據(jù)便于收集和計(jì)算機(jī)分析等特點(diǎn)。u盤作為新型移動存儲設(shè)備，以體積小、速度高、抗震動、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盤這類usb存儲設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。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100 khz以下的低頻模擬信號進(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)格式直接存儲到普通u盤中。數(shù)據(jù)采集完畢后，用戶可直接從采集器上取下u盤，利用計(jì)算機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)對采集數(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。被測信號首先通過調(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)到一個扇區(qū)512字節(jié)后，單片機(jī)通過自身并口控制ch375向u盤寫入采樣數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)在u盤中以fat32文件系統(tǒng)格式寫入，并以文本文件形式保存�？刂戚斎腚娐坟�(fù)責(zé)輸入用戶指令，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盤讀寫和fat32文件系統(tǒng)時(shí)，使用了南京沁恒電子有限公司開發(fā)的ch375hf5．

　　圖1 數(shù)據(jù)采集器方案圖

　　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)，因此對系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，無需再外擴(kuò)上述電路，從而簡化了系統(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盤供電，一方面通過單片機(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盤是5 v供電驅(qū)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(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有全部畫出，完整的電路可參考文獻(xiàn)。被測信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，通過單片機(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所示的用戶輸入控制電路靈活改變。在圖3的8位撥位開關(guān)中，開關(guān)1設(shè)置是差分采樣還是單端采樣，開關(guān)2設(shè)置a／d采樣是使用內(nèi)部還是外部參考電壓，開關(guān)3設(shè)置a／d采樣是由單片機(jī)定時(shí)器啟動還是由外部輸入更新時(shí)鐘啟動，開關(guān)4～8設(shè)置采樣頻率。開關(guān)4～8分別代表10 ksps、20ksps、30 ksps、40 ksps、100 ksps，通過開關(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。

　　圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

　　圖3 控制輸入電路原理圖

　　圖4 單片機(jī)復(fù)位與調(diào)試接口原理圖

　　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口用戶輸入控制指令，并根據(jù)用戶指令設(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。緊接著檢查u盤是否插入，以及插入的u盤是否準(zhǔn)備就緒。一旦u盤準(zhǔn)備就緒，就在u盤新建文本文件格式的數(shù)據(jù)采集文件，然后打開文件，并使文件指針指向文件尾部以方便后面寫入采集數(shù)據(jù)。所有準(zhǔn)備工作完成，就可以啟動a／d轉(zhuǎn)換器。如果采樣數(shù)據(jù)達(dá)