引 言

　　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般都需要數(shù)據(jù)采集器來(lái)完成各類數(shù)據(jù)采集任務(wù)。在很多實(shí)際應(yīng)用中，往往要求數(shù)據(jù)采集器具有工作可靠、成本低廉、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)便于收集和計(jì)算機(jī)分析等特點(diǎn)。U盤作為新型移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，以體積小、速度高、抗震動(dòng)、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)倍受青睞。如果能在嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)功能，那么嵌入式數(shù)據(jù)采集器就能像PC機(jī)一樣方便靈活地利用U盤這類USB存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本文以帶有片上A／D轉(zhuǎn)換器的C8051F340處理器和USB接口芯片CH375為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款可對(duì)100 kHz以下的低頻模擬信號(hào)進(jìn)行10位深度采樣的低成本數(shù)據(jù)采集器。該數(shù)據(jù)采集器具有USB主機(jī)功能，可將采集的數(shù)據(jù)以FAT32文件系統(tǒng)格式直接存儲(chǔ)到普通U盤中。數(shù)據(jù)采集完畢后，用戶可直接從采集器上取下U盤，利用計(jì)算機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的收集和分析處理。

　　下面分別介紹數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)方案如圖1所示，系統(tǒng)主要由C8051F340單片機(jī)和USB 接口芯片CH375構(gòu)成。被測(cè)信號(hào)首先通過(guò)調(diào)理電路的抗混疊濾波和限幅處理，然后送給單片機(jī)片上A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)達(dá)到一個(gè)扇區(qū)512字節(jié)后，單片機(jī)通過(guò)自身并口控制CH375向U盤寫(xiě)入采樣數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)在U盤中以FAT32文件系統(tǒng)格式寫(xiě)入，并以文本文件形式保存。控制輸入電路負(fù)責(zé)輸入用戶指令，以控制A／D工作模式和改變采樣頻率。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)U盤讀寫(xiě)和FAT32文件系統(tǒng)時(shí)，使用了南京沁恒電子有限公司開(kāi)發(fā)的CH375HF5．LIB庫(kù)中的多個(gè)函數(shù)，該庫(kù)函數(shù)的詳細(xì)信息可參考文獻(xiàn)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　由于C8051F340內(nèi)部集成了高精度時(shí)鐘源、電壓調(diào)節(jié)器、A／D轉(zhuǎn)換器以及用于A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓源等豐富的片上外設(shè)，因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)需再外擴(kuò)上述電路，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，提高了集成度和可靠性。

　　如圖2所示，電源模塊生成的5 V電壓一方面給U盤供電，一方面通過(guò)單片機(jī)的REGIN引腳輸入到單片機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器，從而使單片機(jī)自己生成工作所需的3 V電壓，并可將生成的3 V電壓通過(guò)VDD引腳輸出給其他3V器件使用。單片機(jī)利用P3口以及P20～P24通用I／O引腳模擬并口實(shí)現(xiàn)與CH375芯片的并口通信。這里需要注意兩點(diǎn)。第一，C8051F340是3 V低功耗單片機(jī)，為了保證C8051F340與CH375的通信接口電平匹配，防止通信不穩(wěn)定，選擇了同樣是3 V供電的CH375V芯片；另外，由于U盤是5 V供電驅(qū)動(dòng)，而作為USB HOST的CH375是3 V供電，不能直接向U盤供電，因此需要5 V電源模塊給U盤單獨(dú)供電。第二，圖2所示的CH375電路原理圖并不完整，振蕩器電路等附加電路沒(méi)有全部畫(huà)出，完整的電路可參考文獻(xiàn)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，通過(guò)單片機(jī)P25引腳進(jìn)入單片機(jī)片上A／D轉(zhuǎn)換器。為了使采集器能盡可能多地應(yīng)用到不同采集領(lǐng)域，采集器A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓、轉(zhuǎn)化啟動(dòng)時(shí)鐘、差分或單端采樣選擇、采樣頻率等參數(shù)設(shè)置均可根據(jù)圖3所示的用戶輸入控制電路靈活改變。在圖3的8位撥位開(kāi)關(guān)中，開(kāi)關(guān)1設(shè)置是差分采樣還是單端采樣，開(kāi)關(guān)2設(shè)置A／D采樣是使用內(nèi)部還是外部參考電壓，開(kāi)關(guān)3設(shè)置A／D采樣是由單片機(jī)定時(shí)器啟動(dòng)還是由外部輸入更新時(shí)鐘啟動(dòng)，開(kāi)關(guān)4～8設(shè)置采樣頻率。開(kāi)關(guān)4～8分別代表10 ksps、20ksps、30 ksps、40 ksps、100 ksps，通過(guò)開(kāi)關(guān)4～8的不同組合，可以實(shí)現(xiàn)以10 ksps為步進(jìn)，10～200 ksps采樣頻率的改變。例如，當(dāng)8位撥位開(kāi)關(guān)全部閉合時(shí)，意味著采樣頻率為200 ksps，且A／D轉(zhuǎn)換采用單端采樣方式，采樣參考電壓需從系統(tǒng)外部輸入到圖2中的VREF引腳，采樣更新時(shí)鐘需從系統(tǒng)外部輸入到圖2中的CNSTR引腳。另外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了復(fù)位按鍵以及用于下載程序代碼和進(jìn)行調(diào)試的10針下載調(diào)試接口電路，如圖4所示。