引 言
在工業控制現場，常常需要采集多路的現場數據，如電壓、電流、溫度、濕度、氣壓等。數據采集器將現場的模擬量經過A／D轉換后變成數字量并傳輸到主機進行處理，由主機根據處理的結果，將控制信號傳輸給現場執行模塊進行各種操作。由于有些工業現場需要對現場的模擬量進行高速A／D數據采集，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。本文介紹一個基于C8051F060的USB高速A／D數據采集器。通過本系統，不僅能了解數據采集的一般過程以及一般數據采集系統的構成，還能了解C8051F060單片機、USBl00模塊的功能。該系統最高傳輸速度可達8 Mbps。
1 系統原理
該系統由工控機、USBl00、C805lF060單片機、多路模擬切換開關、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個數字I／0引腳，片內集成了2個16位、1 Msps的ADC；有與高速流水線結構的8051兼容的CIP一51內核(可達25MIPS)，有DMA控制器和局域網(CAN2．OB)控制器；32個消息對象，每個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通道模擬多路開關，2個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，硬件實現的SPI、SMBus／I2C和2個UART串行接口；5個通用的16位定時器，6個捕捉／比較模塊的可編程計數器／定時器數組，片內看門狗定時器、VDD監視器、時鐘振蕩器和溫度傳感器。
關鍵字：C8051F060 USB AD數據采集器
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)，下降沿觸發輸入，當USBl00模塊接收到工控機數據時觸發INTl中斷。PO．2配置為通用I／0，當電池電壓低到一定程度時被MCU檢測到并做低電壓處理。P3．0～P3．7配置為通用I／0，P3．0用于驅動發光二極管，P3．1用作USBl00的寫控制線，P3．2用作USBl00的讀控制線，P3．3、P3．4用作模擬控制開關的控制線，P3．5用于控制傳感器的供電(當不需要采集數據時關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。P1配置為通用I／O，作為8位并行數據線。P5配置為通用I／O，作為8位撥碼開關的輸入，用8位撥碼開關設定MCU的數據采集速度。C8051F060接線圖如圖2所示。
1．2 USBl00通用串行總線模塊
USBlOO是基于ASIC設計的，內部封裝了USBl．1全部協議以及300位元組的內部FIF0，8位并行數據接口，對USB的操作類似于對外部內存的操作，由USBl00模塊完成全部協議的轉換和封裝，使開發的過程變得簡單。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8位雙向I／0口。它是一個8位并口，C8051F060通過它和USBlOO交換數據。
RD：允許內部接收緩沖區數據通過8位并行總線讀出。
WR：將8位并行總線上的數據鎖存入內部緩沖區。
TXE：高表示模塊發送緩沖區已滿；低表示發送緩沖區為空，可以發送數據。
RXF：高表示模塊沒有數據輸出；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模塊的控制時序：
發送時序如圖3所示。當單片機檢測到USBl00模塊TXE為低時，表示內部發送緩沖區允許發送數據，可以將數據通過8位數據總線DO～D7發給USBl00模塊，發送數據鎖存由WR控制；USBl00模塊TXE為高時，禁止發送數據。
接收時序如圖4所示，當單片機檢測到USBl00模塊RXF為低時，表示內部接收緩沖區有數據，可以通過8位數據總線DO～D7發給C8051F060單片機，接收數據鎖存由RD控制。
1．3 多路模擬切換開關
因為C8051F060只有2路高速A／D轉換器，而實際上有4路模擬量需要采集，故需要一個多路模擬切換開關。NLAS4684是兩路單刀雙執CMOS模擬切換開關，具有很低的導通電阻。當ADO_CON、ADl_CON為高電平時，運放的輸出OUT2進入ADO進行A／D轉換，運放的輸出OUT4進入ADl進行A／D轉換；當ADO_CON、ADl_CON為低電平時，運放的輸出OUTl進入ADO進行A／D轉換，運放的輸出OUT3進入AD1進行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INA326EA放大后送入多路模擬切換開關，然后由C805lF060的A／D電路進行A／D轉換。INA326EA是一款單電壓供電、高性能、低功耗、滿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。總共有4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
為了符合工業現場便攜式的需要，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 mm×37mm×17 mm，重量55 g。該電池具有電池過充保護、過放保護、短路保護、過流保護功能(這些功能已經集成在電池內部，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，2腳輸出高電平，當芯片輸出電壓在4．6～4．9 V時，2腳輸出低電
平，R1為外部上拉電阻。TPSll00為大電流驅動能力、低導通電阻的電源分配開關；輸出5 V電壓為傳感器電路提供恒流源，通過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TPSll00的4腳關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USB相接時，因為USB提供+5 V／500 mA電源，采集器可以通過USB連接線對采集器供電。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語言進行軟件編寫。系統通電后，首先要對單片機進行初始化，包括單片機的I／0端口和交叉開關、定時器的初始化，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USB口對便攜式數據采集器發送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模塊的專用驅動程序后，USBl00即可作為一個標準的設備，按照與串口完全一樣的方法進行編程。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的圖像方法顯示出來。
結 語
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，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。數據采集器已經成功運用于某工程中。對其他相類似的數據采集、USB數據傳輸應用具有一定的參考價值。