C8051F060的USB高速A／D數據采集器設計

1 系統原理

該系統由工控機、USBl00、C805lF060單片機、多路模擬切換開(kāi)關(guān)、四路模擬運算放大器、可反復充放電的鋰離子電池等構成。系統電路原理框圖如圖1所示。

1．1 C8051F060單片機
C8051F060是Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號片上系統型MCU。具有59個(gè)數字I／0引腳，片內集成了2個(gè)16位、1 Msps的ADC；有與高速流水線(xiàn)結構的8051兼容的CIP一51內核(可達25MIPS)，有DMA控制器和局域網(wǎng)(CAN2．OB)控制器；32個(gè)消息對象，每個(gè)消息對象有自己的標識屏蔽；具有全速、非侵入式的在系統調試接口(片內)，10位、200 ksps的ADC，帶8通道模擬多路開(kāi)關(guān)，2個(gè)12位DAC；具有可編程數據更新方式；64 KB可在系統編程的Flash內存，4352(4K+256)字節的片內RAM，可尋址64 KB地址空間的外部數據存儲器接口，硬件實(shí)現的SPI、SMBus／I2C和2個(gè)UART串行接口；5個(gè)通用的16位定時(shí)器，6個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計數器／定時(shí)器數組，片內看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監視器、時(shí)鐘振蕩器和溫度傳感器。
C8051F060是真正能獨立工作的片上系統。所有模擬和數字外設均可由用戶(hù)固件使能／禁止和配置。Flash存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場(chǎng)更新8051固件。
C8051F060單片機的P0．O配置為外部中斷源(INT0)。P0．1配置為外部中斷源(INTl)，下降沿觸發(fā)輸入，當USBl00模塊接收到工控機數據時(shí)觸發(fā)INTl中斷。PO．2配置為通用I／0，當電池電壓低到一定程度時(shí)被MCU檢測到并做低電壓處理。P3．0～P3．7配置為通用I／0，P3．0用于驅動(dòng)發(fā)光二極管，P3．1用作USBl00的寫(xiě)控制線(xiàn)，P3．2用作USBl00的讀控制線(xiàn)，P3．3、P3．4用作模擬控制開(kāi)關(guān)的控制線(xiàn)，P3．5用于控制傳感器的供電(當不需要采集數據時(shí)關(guān)掉傳感器電源以減少系統功耗)，P3．6、P3．7用作電平轉換芯片74ALVCl64245的數據方向選擇控制線(xiàn)。P1配置為通用I／O，作為8位并行數據線(xiàn)。P5配置為通用I／O，作為8位撥碼開(kāi)關(guān)的輸入，用8位撥碼開(kāi)關(guān)設定MCU的數據采集速度。C8051F060接線(xiàn)圖如圖2所示。

1．2 USBl00通用串行總線(xiàn)模塊
USBlOO是基于A(yíng)SIC設計的，內部封裝了USBl．1全部協(xié)議以及300位元組的內部FIF0，8位并行數據接口，對USB的操作類(lèi)似于對外部?jì)却娴牟僮?，由USBl00模塊完成全部協(xié)議的轉換和封裝，使開(kāi)發(fā)的過(guò)程變得簡(jiǎn)單。注意：由于USBlOO輸出TTL電平的數據，可以與5V的單片機很好地連接，而C8051F060是3．3 V的系統，為了系統的穩定性，中間需要增加3～5 V電平轉換電路。
DO～D7：數據口是一個(gè)8位雙向I／0口。它是一個(gè)8位并口，C8051F060通過(guò)它和USBlOO交換數據。
RD：允許內部接收緩沖區數據通過(guò)8位并行總線(xiàn)讀出。
WR：將8位并行總線(xiàn)上的數據鎖存入內部緩沖區。
TXE：高表示模塊發(fā)送緩沖區已滿(mǎn)；低表示發(fā)送緩沖區為空，可以發(fā)送數據。
RXF：高表示模塊沒(méi)有數據輸出；低表示模塊有數據輸出，可以讀數據。
LISBVCC：USB界面的電源腳。
D+：USB數據腳。
D一：USB數據腳。
GND：電源地。
0UTVCC：+5V輸出，可以提供給外部MCU使用，最大為400 mA。
NC：空引腳。
USBl00模塊的控制時(shí)序：
發(fā)送時(shí)序如圖3所示。當單片機檢測到USBl00模塊TXE為低時(shí)，表示內部發(fā)送緩沖區允許發(fā)送數據，可以將數據通過(guò)8位數據總線(xiàn)DO～D7發(fā)給USBl00模塊，發(fā)送數據鎖存由WR控制；USBl00模塊TXE為高時(shí)，禁止發(fā)送數據。

接收時(shí)序如圖4所示，當單片機檢測到USBl00模塊RXF為低時(shí)，表示內部接收緩沖區有數據，可以通過(guò)8位數據總線(xiàn)DO～D7發(fā)給C8051F060單片機，接收數據鎖存由RD控制。
1．3 多路模擬切換開(kāi)關(guān)
因為C8051F060只有2路高速A／D轉換器，而實(shí)際上有4路模擬量需要采集，故需要一個(gè)多路模擬切換開(kāi)關(guān)。NLAS4684是兩路單刀雙執CMOS模擬切換開(kāi)關(guān)，具有很低的導通電阻。當ADO_CON、ADl_CON為高電平時(shí)，運放的輸出OUT2進(jìn)入ADO進(jìn)行A／D轉換，運放的輸出OUT4進(jìn)入ADl進(jìn)行A／D轉換；當ADO_CON、ADl_CON為低電平時(shí)，運放的輸出OUTl進(jìn)入ADO進(jìn)行A／D轉換，運放的輸出OUT3進(jìn)入AD1進(jìn)行A／D轉換，如圖5所示。

1．4 模擬運算放大電路
LM134、R1、R2、D1構成恒流源電路，對橋式電路傳感器提供恒流源。橋式電路傳感器輸出信號INl+、INl一經(jīng)INA326EA放大后送入多路模擬切換開(kāi)關(guān)，然后由C805lF060的A／D電路進(jìn)行A／D轉換。INA326EA是一款單電壓供電、高性能、低功耗、滿(mǎn)幅度輸入輸出的儀表運算放大器。運算放大器電路放大倍數G=2K1／R3?？偣灿?路模擬運算放大電路。圖6為其中一路模擬運算放大電路。

1．5 供電電路
為了符合工業(yè)現場(chǎng)便攜式的需要，選用上海捷士電池制品有限公司的JS一7．4V一1．2Ah可反復充放電的鋰離子電池。電池采用鋰離子083448電芯，組合方式為兩串，電池容量1．2 Ah，電池電壓7．4 V，外形尺寸50 mm37mm17 mm，重量55 g。該電池具有電池過(guò)充保護、過(guò)放保護、短路保護、過(guò)流保護功能(這些功能已經(jīng)集成在電池內部，便于使用)。TPS76650[)是具有250 mA輸出能力的LDO芯片，電池電壓通過(guò)該芯片的5、6腳輸入，7腳輸出穩定的+5 V電壓供系統使用；2腳是對TPS76650D是否工作正常的指示輸出，當芯片工作正常時(shí)，2腳輸出高電平，當芯片輸出電壓在4．6～4．9 V時(shí)，2腳輸出低電
平，R1為外部上拉電阻。TPSll00為大電流驅動(dòng)能力、低導通電阻的電源分配開(kāi)關(guān)；輸出5 V電壓為傳感器電路提供恒流源，通過(guò)SPXlll7穩壓成3．3 V為傳感器放大電路供電。為了節省耗電，C8051F060可以通過(guò)TPSll00的4腳關(guān)掉傳感器電路的恒流源和放大電路。
另外，當采集器和計算機通過(guò)USB相接時(shí)，因為USB提供+5 V／500 mA電源，采集器可以通過(guò)USB連接線(xiàn)對采集器供電。供電電路如圖7所示。

2 采集系統的編程
2．1 單片機編程
采用Silicon公司的Silicon Laboratories IDE集成編輯、編譯、仿真、下載軟件包，用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件編寫(xiě)。系統通電后，首先要對單片機進(jìn)行初始化，包括單片機的I／0端口和交叉開(kāi)關(guān)、定時(shí)器的初始化，A／D轉換器的初始化以及A／D參考電壓的初始化等。工控機通過(guò)USB口對便攜式數據采集器發(fā)送0x41、0x42、0x43、0x4_4，便攜式數據采集器分別回送傳感器1、2、2、4的200個(gè)A／D采集數據，高位在前，低位在后。(部分源代碼程序略――編者注)
2．2 工控機編程
在工控機上安裝好USBlOO模塊的專(zhuān)用驅動(dòng)程序后，USBl00即可作為一個(gè)標準的設備，按照與串口完全一樣的方法進(jìn)行編程。本次設計采用了VB編程。在VB中采用MSComm控件，將USB接口作為一個(gè)標準的串口使用。程序分為兩部分：一部分是USB接口程序；另一部分是應用程序。將由C8051F060采集到的數據用直觀(guān)的圖像方法顯示出來(lái)。

結 語(yǔ)
C8051F060作為新一代8051單片機，具有功能強大、體積小、工作穩定等特點(diǎn)，適用于復雜控制系統。本文只介紹了基于C8051F060的USB高速A／D數據采集器。數據采集器已經(jīng)成功運用于某工程中。對其他相類(lèi)似的數據采集、USB數據傳輸應用具有一定的參考價(jià)值。