C8051F060的USB高速A／D数据采集器设计

引 言
    在工业控制现场，常常需要采集多路的现场数据，如电压、电流、温度、湿度、气压等。数据采集器将现场的模拟量经过A／D转换后变成数字量并传输到主机进行处理，由主机根据处理的结果，将控制信号传输给现场执行模块进行各种操作。由于有些工业现场需要对现场的模拟量进行高速A／D数据采集，目前常用的数据传输网络(如RS232／RS485，CAN等)已经不能满足大量采集数据和高速实时数据传输的要求。而USB传输具有高速可靠传输的优势，具有成本低、可靠性高、维护方便等优点。本文介绍一个基于C8051F060的USB高速A／D数据采集器。通过本系统，不仅能了解数据采集的一般过程以及一般数据采集系统的构成，还能了解C8051F060单片机、USBl00模块的功能。该系统最高传输速度可达8 Mbps。

1 系统原理

    该系统由工控机、USBl00、C805lF060单片机、多路模拟切换开关、四路模拟运算放大器、可反复充放电的锂离子电池等构成。系统电路原理框图如图1所示。

1．1 C8051F060单片机
    C8051F060是Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信号片上系统型MCU。具有59个数字I／0引脚，片内集成了2个16位、1 Msps的ADC；有与高速流水线结构的8051兼容的CIP一51内核(可达25MIPS)，有DMA控制器和局域网(CAN2．OB)控制器；32个消息对象，每个消息对象有自己的标识屏蔽；具有全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)，10位、200 ksps的ADC，带8通道模拟多路开关，2个12位DAC；具有可编程数据更新方式；64 KB可在系统编程的Flash内存，4352(4K+256)字节的片内RAM，可寻址64 KB地址空间的外部数据存储器接口，硬件实现的SPI、SMBus／I2C和2个UART串行接口；5个通用的16位定时器，6个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器数组，片内看门狗定时器、VDD监视器、时钟振荡器和温度传感器。
    C8051F060是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能／禁止和配置。Flash存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
    C8051F060单片机的P0．O配置为外部中断源(INT0)。P0．1配置为外部中断源(INTl)，下降沿触发输入，当USBl00模块接收到工控机数据时触发INTl中断。PO．2配置为通用I／0，当电池电压低到一定程度时被MCU检测到并做低电压处理。P3．0～P3．7配置为通用I／0，P3．0用于驱动发光二极管，P3．1用作USBl00的写控制线，P3．2用作USBl00的读控制线，P3．3、P3．4用作模拟控制开关的控制线，P3．5用于控制传感器的供电(当不需要采集数据时关掉传感器电源以减少系统功耗)，P3．6、P3．7用作电平转换芯片74ALVCl64245的数据方向选择控制线。P1配置为通用I／O，作为8位并行数据线。P5配置为通用I／O，作为8位拨码开关的输入，用8位拨码开关设定MCU的数据采集速度。C8051F060接线图如图2所示。

1．2 USBl00通用串行总线模块
    USBlOO是基于ASIC设计的，内部封装了USBl．1全部协议以及300位元组的内部FIF0，8位并行数据接口，对USB的操作类似于对外部内存的操作，由USBl00模块完成全部协议的转换和封装，使开发的过程变得简单。注意：由于USBlOO输出TTL电平的数据，可以与5V的单片机很好地连接，而C8051F060是3．3 V的系统，为了系统的稳定性，中间需要增加3～5 V电平转换电路。
    DO～D7：数据口是一个8位双向I／0口。它是一个8位并口，C8051F060通过它和USBlOO交换数据。
    RD：允许内部接收缓冲区数据通过8位并行总线读出。
    WR：将8位并行总线上的数据锁存入内部缓冲区。
    TXE：高表示模块发送缓冲区已满；低表示发送缓冲区为空，可以发送数据。
    RXF：高表示模块没有数据输出；低表示模块有数据输出，可以读数据。
    LISBVCC：USB界面的电源脚。
    D+：USB数据脚。
    D一：USB数据脚。
    GND：电源地。
    0UTVCC：+5V输出，可以提供给外部MCU使用，最大为400 mA。
    NC：空引脚。
    USBl00模块的控制时序：
    发送时序如图3所示。当单片机检测到USBl00模块TXE为低时，表示内部发送缓冲区允许发送数据，可以将数据通过8位数据总线DO～D7发给USBl00模块，发送数据锁存由WR控制；USBl00模块TXE为高时，禁止发送数据。

    接收时序如图4所示，当单片机检测到USBl00模块RXF为低时，表示内部接收缓冲区有数据，可以通过8位数据总线DO～D7发给C8051F060单片机，接收数据锁存由RD控制。
1．3 多路模拟切换开关
    因为C8051F060只有2路高速A／D转换器，而实际上有4路模拟量需要采集，故需要一个多路模拟切换开关。NLAS4684是两路单刀双执CMOS模拟切换开关，具有很低的导通电阻。当ADO_CON、ADl_CON为高电平时，运放的输出OUT2进入ADO进行A／D转换，运放的输出OUT4进入ADl进行A／D转换；当ADO_CON、ADl_CON为低电平时，运放的输出OUTl进入ADO进行A／D转换，运放的输出OUT3进入AD1进行A／D转换，如图5所示。

1．4 模拟运算放大电路
    LM134、R1、R2、D1构成恒流源电路，对桥式电路传感器提供恒流源。桥式电路传感器输出信号INl+、INl一经INA326EA放大后送入多路模拟切换开关，然后由C805lF060的A／D电路进行A／D转换。INA326EA是一款单电压供电、高性能、低功耗、满幅度输入输出的仪表运算放大器。运算放大器电路放大倍数G=2K1／R3。总共有4路模拟运算放大电路。图6为其中一路模拟运算放大电路。

1．5 供电电路
    为了符合工业现场便携式的需要，选用上海捷士电池制品有限公司的JS一7．4V一1．2Ah可反复充放电的锂离子电池。电池采用锂离子083448电芯，组合方式为两串，电池容量1．2 Ah，电池电压7．4 V，外形尺寸50 mm×37mm×17 mm，重量55 g。该电池具有电池过充保护、过放保护、短路保护、过流保护功能(这些功能已经集成在电池内部，便于使用)。TPS76650[)是具有250 mA输出能力的LDO芯片，电池电压通过该芯片的5、6脚输入，7脚输出稳定的+5 V电压供系统使用；2脚是对TPS76650D是否工作正常的指示输出，当芯片工作正常时，2脚输出高电平，当芯片输出电压在4．6～4．9 V时，2脚输出低电
平，R1为外部上拉电阻。TPSll00为大电流驱动能力、低导通电阻的电源分配开关；输出5 V电压为传感器电路提供恒流源，通过SPXlll7稳压成3．3 V为传感器放大电路供电。为了节省耗电，C8051F060可以通过TPSll00的4脚关掉传感器电路的恒流源和放大电路。
    另外，当采集器和计算机通过USB相接时，因为USB提供+5 V／500 mA电源，采集器可以通过USB连接线对采集器供电。供电电路如图7所示。

2 采集系统的编程
2．1 单片机编程
    采用Silicon公司的Silicon Laboratories IDE集成编辑、编译、仿真、下载软件包，用C语言进行软件编写。系统通电后，首先要对单片机进行初始化，包括单片机的I／0端口和交叉开关、定时器的初始化，A／D转换器的初始化以及A／D参考电压的初始化等。工控机通过USB口对便携式数据采集器发送0x41、0x42、0x43、0x4_4，便携式数据采集器分别回送传感器1、2、2、4的200个A／D采集数据，高位在前，低位在后。(部分源代码程序略——编者注)
2．2 工控机编程
    在工控机上安装好USBlOO模块的专用驱动程序后，USBl00即可作为一个标准的设备，按照与串口完全一样的方法进行编程。本次设计采用了VB编程。在VB中采用MSComm控件，将USB接口作为一个标准的串口使用。程序分为两部分：一部分是USB接口程序；另一部分是应用程序。将由C8051F060采集到的数据用直观的图像方法显示出来。

结 语
    C8051F060作为新一代8051单片机，具有功能强大、体积小、工作稳定等特点，适用于复杂控制系统。本文只介绍了基于C8051F060的USB高速A／D数据采集器。数据采集器已经成功运用于某工程中。对其他相类似的数据采集、USB数据传输应用具有一定的参考价值。