基于8501单片机的数据采集系统设计

2011-07-09唐启见

时代农机 2011年9期

唐启见，刘娟

（湖南软件职业学院信息工程系，湖南湘潭 411100）

数据采集就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。计算机数据采集系统一般由传感器、前置放大器、滤波器、多路模拟开关、采样/保持(S/H)器、A/D转换器和计算机系统组成。

1 系统硬件设计

（1）硬件组成。基于USB总线的实时数据采集系统硬件组成包括模拟开关、A/D转换器、单片机、USB接口芯片，为了扩展用途，还可以加上多路模拟开关和数字I/O端口。其硬件总体结构如图1 所示。多路模拟信号经过模拟开关传到A／D转换器转换为数字信号，单片机控制采集，USB接口芯片存储采集到的数据并将其上传至PC，同时也接收PC机USB控制器的控制信息。如图1 所示。

图1 系统硬件总体结构图

（2）芯片选择方案。在微控制器和USB接口的选择上有2种方式。一种是采用普通单片机加上专用的USB通信芯片，现在的专用芯片中较流行的有National Semiconductor公司的USBN9602、ScanLogic公司的SL11等。另一种方案是采用具备USB通信功能的单片机。随着USB应用的日益广泛，Intel、SGS—Tomson、Cypress、Philips等芯片厂商都推出了具备USB通信接口的单片机。这些单片机处理能力强，有的本身就具备多路AD，构成系统的电路简单，调试方便，电磁兼容性好，因此采用具备USB接口的单片机是构成USB数据采集系统较好的方案。不过，由于具备了USB接口，这些芯片与过去的开发系统通常是不兼容的，需要购买新的开发系统，投资较高。

本方案的芯片选择：单片机选择Cygnal公司的C8051F020芯片，USB通信控制选择NationalSeniconductor公司的USBN9604芯片。

（3）系统硬件框图。C8051F020单片机和USBN9604的接口电路如图2 所示，该电路由C8051F020单片机、USBN9604、时钟振荡电路以及相应的外围电路组成。其中USBN9604通过外部中断INT0与C805 1F020单片机进行通信。

C805 1F2020单片机与USBN9604的并行连接有非复用和复用2种方式。它们可通过设置引脚MODE0、MODEl来选择。在非复用方式时，可用控制引脚CS、RD、WR、地址引脚A0和双向数据线D[7：0]实现相应的地址读写。而在复用方式时，则使用控制引脚CS、RD、WR、地址锁存信号ALE和双向数据线D[7：0]实现其地址读写。

多路模拟输入信号经多路模拟开关控制将其中的一路接入串行A／D转换器，A／D转换器经光电隔离后串行输出到移位寄存器，移位寄存器将此结果转为8位并行数据，C8051系统通。

过8位的并行接口传送A/D转换器采集的数据，存储在FIFO存储器中；一旦FIFO存满，SIE立刻对数据进行处理，然后C805 1F020系统将数据从FIFO存储器中读出，由收发器通过数据线 (D+、D一)送至主机。图2 中USBN9604的CLKOUT与C8051F020的XTAL1相连，即USBN9604的时钟输出为C8051F020提供时钟输入。USBN9604的复位端接RC电路以保证复位电路可靠地工作。由于晶振频率较高，结合USBN9604内部网络，在XOUT端串接100mF电容及470mH电感，起稳定内部振荡频率的作用。

设计的主要功能：模拟数据被C805 1F020的ADC采集并进行处理，C805 1F020通过USB控制器把它发送到Host(PC或者是工作台)，相反，Host可以把这数据发送给USB控制器。

2 系统软件设计

一个USB设备的软件一般包括主机的驱动程序、应用程序和固件程序。固件实际上是单片机的程序文件，存放在单片机中，包括USB设备的连接、USB协议、中断处理等。

USB固件程序的结构一般是基于中断处理的。主程序做完必要的初始化工作后，就等待USB中断的产生，中断产生后，根据中断状态对相应的端点读取数据，或是向相应的端点发送数据。USB单片机控制程序系统解决方案通常由3部分组成：初始化部分，初始化单片机和所有的外围电路 (包括USBN9604)；主循环部分，其任务是可以中断的；中断服务程序，其任务是对时间敏感的，必须马上执行。

初始化USB须使用USB读／写函数对USB控制器内部的控制寄存器进行设置。中断服务程序处理USB控制器产生的中断，将数据从USB内部FIFO读出，并建立正确的事件标志，以通知主循环程序处理。初始化单片机主要就是对ADC进行初始化。