以C8051F340單片機為核心的數據采集系統設計

1引言

電子設備運行狀態的穩定性直接影響到現代企業的生產，設備發生故障后高昂的維修費以及設備停機后給企業生產帶來的損失，使得各個企業紛紛采取措施，降低設備的故障率。通過數據采集系統準確的獲取設備運行特征數據，并對數據進行分析，判斷設備的運行狀態是否良好，達到提前預防故障出現、減少停機檢修的目的。實際應用中對數據采集系統的可靠性，準確性和便攜性要求很高。目前常用的數據傳輸網絡（如RS232 /RS485， CAN 等）已經不能滿足大量采集數據和高速實時數據傳輸的要求。而USB傳輸具有高速可靠傳輸的優勢，具有成本低、可靠性高、維護方便等優點。本文以帶有片上USB 和高速AD 轉換器的C8051F340為核心控制器件，利用USB總線高速傳輸的特性，設計了一款高速度低成本的數據采集系統，采集信號包括該設備輸出氣體的溫度、壓力和流量等14個參數，適用于特定設備運行狀態的數據采集工作。

2系統設計

系統設計圖如圖1所示，系統主要由C8051F340數據采集模塊與上位PC機構成。需要監控的數據通過系統前端的傳感器轉換后送入預處理電路，從預處理電路輸出的數據通過I/O端口送入AD轉換端口，經過AD轉換將數據保存到C8051F340單片機，最后通過USB把數據送入上位PC機保存處理。

圖1 系統設計框圖

3 硬件設計

在整個硬件設計中C8051F340 單片機是系統重要的組成部分。C8051F340單片機是S ilicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號片上系統型MCU。具有高速、流水線結構的8051兼容的微控制器內核（可達48M IPS ）; 通用串行總線（USB ）功能控制器，有8 個靈活的端點管道，集成收發器和1K FIFO RAM; 真正10位200ksps的單端/差分ADC，帶模擬多路器; 片內電壓基準和溫度傳感器; 精確校準的12MH z內部振蕩器和4 倍時鐘乘法器; 多達64KB 的片內FLASH 存儲器; 多達4352字節片內RAM （ 256+ 4KB ）; 多達40個端口I/O （容許5V 輸入）采集系統的電路設計。

由于C8051F340本身集成眾多硬件電路的特性，硬件接口設計變得非常簡單，不需要再添加額外的電子元器件就能實現USB 的數據傳輸和AD轉換等，使得系統的硬件結構簡單，集成度高，可靠性好。如圖2所示，單片機通過片上USB 接口與上位PC 機連接進行數據的傳輸。C8051F340上的P2. 0~ P2. 6引腳作為數據采集的輸入端口，接受來自預處理電路輸送過來的數據，最后通過單片機的模擬多路選擇器（ AMUX）最終決定進入AD 轉換的通道。

圖2 數據采集硬件原理圖。

4 軟件設計

系統的軟件部分包括單片機固件和上位PC 機客戶端程序。單片機固件主要負責單片機初始化及與上位機的通信準備，而客戶端程序則負責對固件中相應控制的調用，實現數據的傳輸控制、數據保存以及故障的預警。

4. 1 單片機固件（ firmw are）

單片機固件采用K eil uV ision3軟件進行編寫，由主程序， AD數據轉換， USB通訊三個模塊組成。

主程序負責初始化單片機的各個端口和功能模塊，設置相應的IO 端口為數據輸入端口，完成各項初始化后通過vo id USB_API_TEST _ISR （ void）函數進入USB中斷服務，在中斷服務中通過調用Get_Interrupt_Source（）函數獲得USB 中斷源。然后根據不同的入口情況，來進行相應的處理。比如收到初始化命令時，復位單片機內的各個狀態參數。

AD數據轉換模塊主要負責AD轉換時的轉換時間間隔、采樣精度的設置。C8051F340單片機的AD轉換啟動有6 種觸發方式，由ADC0CN 中的ADC0轉換啟動方式位（ AD0CM2..0）的狀態決定采用哪一種方式。本系統則是是通過單片機中的定時器2的每次計時溢出來觸發AD 轉換。為確保每次定時器觸發AD 轉換時上一次數據轉換完全結束，因此定時器2溢出后到下一次計時溢出的時間間隔（ Tcon t）必須要大于AD 轉換時間，才能保證每次AD轉換的完整進行。AD 轉換時間由建立轉換時間（ Tsettle）和采樣時間（ Tsample）構成。圖3所示為在差分方式下等效的AD 轉換的輸入電路。對于一個給定的建立精度（ SA ）的系統中，所需要的ADC 建立時間（ Tsettle）可以用方程1來確定。而采樣時間（ Tsamp le）通過查詢技術手冊得知需要10個SAR 時鐘。Tcon t則必須要滿足式（ 2）和式（ 3），才能滿足設計要求。

圖3 AD 轉換等效輸入電路。

其中： SA 是建立精度，用一個LSB 的分數表示（例如，建立精度0. 25對應1 /4LSB ）; t為所需要的建立時間（ Tsettle），以秒為單位; n為ADC 的分辨率，用比特表示。Rtota l為AMUX 電阻與外部信號源電阻之和; C samp le為ADC采樣電容：

其中： K 為定時器2溢出后重載的計數數值; clk 為系統時鐘頻率。

USB通訊模塊則設置單片機與主機的數據傳輸模式。根據USB 通信協議要求，設置相應寄存器來配置USB中端點0與端點2跟上位主機進行數據通信，其中端點0負責與主機的控制命令接收與響應，端點2 負責將采集的數據傳輸到上位主機，同時配置端點2在U SB0的FIFO 分配中256字節使用空間全部為數據輸出。由于C8051F340 整合的是10位ADC控制器，采集到的數據填充為16位數據，以先低8 位，后高8位將數據保存到系統的RAM 中，而一次AD 轉換能得到2個字節的數據，因此為了每次數據上傳時充分利用端點2的使用空間，在ADC中斷響應函數中添加一個變量i來檢測進行轉換的次數，在進行完128次AD轉換后通過調用B lock_W rite（）函數向主機發送數據。部分代碼如下：

4. 2 上位PC 機客戶端程序

上位PC 機客戶端程序包括USB 驅動程序和用戶應用程序兩個部分。

USB驅動程序是一個軟件組件，封裝了應用程序存取硬件設備的功能函數。有些設備具有相同的屬性，把它們歸為一組標準類別，可以定義設備類規范作為該類設備的主機驅動框架。設備類驅動程序使用相似的函數，處理不同設備間的通信，這樣使設備類驅動程序的開發可以脫離設備制造商。本系統的驅動程序使用了Silicon Laboratories公司提供的USB Xpress開發包，在V isua l C ++ 6. 0環境下開發，封裝成動態鏈接庫DLL 的形式供用戶應用程序調用。

用戶應用程序采用C + + 編寫，由客戶交互界面， USB數據通信，數據保存顯示，設備故障預警四個模塊組成。在USB 數據通信模塊設計中，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，屏蔽了對底層硬件操作中USB 復雜的通信協議，簡化了USB 通信開發，使得開發USB 通信的程序變得更容易。

程序流程圖如圖4所示。

圖4 客戶端應用程序流程圖。

誘發設備出現故障的原因很多，為保證設備正常運行需要檢測多方面的數據，本系統主要是檢測設備的溫度和壓力等的數據，檢測獲得的數據一旦超過某個界限，表示設備可能出現故障。因此為了保證設備長時間的穩定工作，需要對獲取的實時數據與事先設好的臨界值進行對比，一旦超過臨界值，系統則發出警報提醒工作人員對設備進行故障排查，起到了故障預警的效果。