基于8501單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐啟見，劉 娟

（湖南軟件職業(yè)學(xué)院信息工程系，湖南 湘潭 411100）

數(shù)據(jù)采集就是將要獲取的信息通過傳感器轉(zhuǎn)換為信號，并經(jīng)過信號調(diào)理、采樣、量化、編碼和傳輸?shù)炔襟E，最后送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理、分析、存儲和顯示。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由傳感器、前置放大器、濾波器、多路模擬開關(guān)、采樣/保持(S/H)器、A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）硬件組成?；赨SB總線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成包括模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、USB接口芯片，為了擴(kuò)展用途，還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字I/O端口。其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。多路模擬信號經(jīng)過模擬開關(guān)傳到A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機(jī)控制采集，USB接口芯片存儲采集到的數(shù)據(jù)并將其上傳至PC，同時(shí)也接收PC機(jī)USB控制器的控制信息。如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

（2）芯片選擇方案。在微控制器和USB接口的選擇上有2種方式。一種是采用普通單片機(jī)加上專用的USB通信芯片，現(xiàn)在的專用芯片中較流行的有National Semiconductor公司的USBN9602、ScanLogic公司的SL11等。另一種方案是采用具備USB通信功能的單片機(jī)。隨著USB應(yīng)用的日益廣泛，Intel、SGS—Tomson、Cypress、Philips等芯片廠商都推出了具備USB通信接口的單片機(jī)。這些單片機(jī)處理能力強(qiáng)，有的本身就具備多路AD，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡單，調(diào)試方便，電磁兼容性好，因此采用具備USB接口的單片機(jī)是構(gòu)成USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較好的方案。不過，由于具備了USB接口，這些芯片與過去的開發(fā)系統(tǒng)通常是不兼容的，需要購買新的開發(fā)系統(tǒng)，投資較高。

本方案的芯片選擇：單片機(jī)選擇Cygnal公司的C8051F020芯片，USB通信控制選擇NationalSeniconductor公司的USBN9604芯片。

（3）系統(tǒng)硬件框圖。C8051F020單片機(jī)和USBN9604的接口電路如圖2 所示，該電路由C8051F020單片機(jī)、USBN9604、時(shí)鐘振蕩電路以及相應(yīng)的外圍電路組成。其中USBN9604通過外部中斷INT0與C805 1F020單片機(jī)進(jìn)行通信。

C805 1F2020單片機(jī)與USBN9604的并行連接有非復(fù)用和復(fù)用2種方式。它們可通過設(shè)置引腳MODE0、MODEl來選擇。在非復(fù)用方式時(shí)，可用控制引腳CS、RD、WR、地址引腳A0和雙向數(shù)據(jù)線D[7：0]實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的地址讀寫。而在復(fù)用方式時(shí)，則使用控制引腳CS、RD、WR、地址鎖存信號ALE和雙向數(shù)據(jù)線D[7：0]實(shí)現(xiàn)其地址讀寫。

多路模擬輸入信號經(jīng)多路模擬開關(guān)控制將其中的一路接入串行A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換器經(jīng)光電隔離后串行輸出到移位寄存器，移位寄存器將此結(jié)果轉(zhuǎn)為8位并行數(shù)據(jù)，C8051系統(tǒng)通。

過8位的并行接口傳送A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)，存儲在FIFO存儲器中；一旦FIFO存滿，SIE立刻對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后C805 1F020系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從FIFO存儲器中讀出，由收發(fā)器通過數(shù)據(jù)線 (D+、D一)送至主機(jī)。圖2 中USBN9604的CLKOUT與C8051F020的XTAL1相連，即USBN9604的時(shí)鐘輸出為C8051F020提供時(shí)鐘輸入。USBN9604的復(fù)位端接RC電路以保證復(fù)位電路可靠地工作。由于晶振頻率較高，結(jié)合USBN9604內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，在XOUT端串接100mF電容及470mH電感，起穩(wěn)定內(nèi)部振蕩頻率的作用。

設(shè)計(jì)的主要功能：模擬數(shù)據(jù)被C805 1F020的ADC采集并進(jìn)行處理，C805 1F020通過USB控制器把它發(fā)送到Host(PC或者是工作臺)，相反，Host可以把這數(shù)據(jù)發(fā)送給USB控制器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)USB設(shè)備的軟件一般包括主機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和固件程序。固件實(shí)際上是單片機(jī)的程序文件，存放在單片機(jī)中，包括USB設(shè)備的連接、USB協(xié)議、中斷處理等。

USB固件程序的結(jié)構(gòu)一般是基于中斷處理的。主程序做完必要的初始化工作后，就等待USB中斷的產(chǎn)生，中斷產(chǎn)生后，根據(jù)中斷狀態(tài)對相應(yīng)的端點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，或是向相應(yīng)的端點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。USB單片機(jī)控制程序系統(tǒng)解決方案通常由3部分組成：初始化部分，初始化單片機(jī)和所有的外圍電路 (包括USBN9604)；主循環(huán)部分，其任務(wù)是可以中斷的；中斷服務(wù)程序，其任務(wù)是對時(shí)間敏感的，必須馬上執(zhí)行。

初始化USB須使用USB讀／寫函數(shù)對USB控制器內(nèi)部的控制寄存器進(jìn)行設(shè)置。中斷服務(wù)程序處理USB控制器產(chǎn)生的中斷，將數(shù)據(jù)從USB內(nèi)部FIFO讀出，并建立正確的事件標(biāo)志，以通知主循環(huán)程序處理。初始化單片機(jī)主要就是對ADC進(jìn)行初始化。

3 結(jié)語

USB為計(jì)算機(jī)外設(shè)輸入輸出提供了新的接口標(biāo)準(zhǔn)。它使設(shè)備具有熱插拔、即插即用、自動(dòng)配置的能力，并標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備連接。USB的級聯(lián)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大擴(kuò)充了外設(shè)數(shù)量，使用外設(shè)更加便捷，快速。而新提出的USB2．0標(biāo)準(zhǔn)更是將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了一個(gè)新的高度，可以說，USB接口具有很好的應(yīng)用前景。

[1]林嶸，孫金生，秦華旺，等.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與接口技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2004.