基于C8051F320的數據采集系統USB接口方案

隨著現代工業生產和科學研究對數據采集系統的要求日益提高，傳輸速度、糾錯能力和操作安裝的簡易性是人們進行采集數據時一直關注的問題，這使得數據通訊技術不可避免地成為了其中的關鍵技術，而數據采集系統采用何種接口進行數據通訊是影響系統整體效率的重要因素之一。USB（通用串行總線）總線接口技術由于具有速度快、設備安裝和配置容易、易于擴展、能夠采用總線供電及使用靈活等優點，已逐漸成為現代數據傳輸的發展趨勢[1-5]。

本文給出了一種基于C8051F320的數據采集系統USB 接口設計方案，完成了USB 接口硬件電路設計和軟件程序開發，并將其應用到倉庫視頻監控系統中，實現了快速、方便的數據采集和傳輸。

2 C8051F320 單片機原理

2.1 C8051F320 的主要特點

C8051F320 是由美國Cygnal 公司推出的C8051F 系列單片機中的一款用于USB 設備的小型單片機。該器件內部集成有2304 Byte RAM 和16K Byte 的Flash 存儲器。由于利用該芯片進行設計時可以不需要任何外部元件（包括電阻和晶振），因而是小型USB 應用的理想選擇。與其它同類USB 產品相比，C8051F320 主要具有如下一些特點：

① 滿足 USB2.0 協議；

② 可在全速（12 Mbps）或低速（1.5 Mbps）下運行；

③ 集成有一個時鐘源，對于全速或低速傳輸均可不用外部晶振；

④ 支持 8 個靈活通用的USB 端點；

⑤ 內置一個 1K 的USB 專用緩沖存儲器；

⑥ 集成了一個 USB 接收器，不需要外部電阻。

⑦ 具有高速增強型 8051 MCU 內核，該MCU 內核采用流水線式指令結構，70%的指令執行時間為一個或兩個系統時鐘周期，處理速度可達25MIPS（時鐘頻率為25MHz 時）。此外，C8051F320 還有許多其它特性，如支持在系統編程（ISP），帶有可編程的數字I/O和數字交叉開關，可提供全速、非侵入式的在系統片內調試電路等。

2.2 C8051F320 的引腳及封裝

C8051F320 的引腳排列如圖1 所示，封裝為TQFP-32。其中VDD 為數字電源；GND為模擬地；REGIN 為5V 校準器的輸入端；RST/C2CK 為設備的復位引腳或EC2 調試接口的時鐘信號；P3.0/C2D 為端口P3.0 或EC2 調試接口的雙向信號引腳；VBUS 為USB 總線輸入腳；D+為USB 的D+；D-為USB 的D-；P0.2/XTAL1 為端口0.2 或外部晶振輸入；

P0.3/XTAL2 為端口P0.3 或外部晶振輸出；P0.6/CNVSTR 為端口P0.6 或ADC0 外部轉換開始輸入腳；P0.7/VRFF 為端口P0.7 或外部參考電源的輸入端或輸出端；P0.0、P0.1、P0.4、P0.5、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7 均為相應的端口引腳。

3 USB 接口電路設計

3.1 USB 接口硬件電路設計

由于 C8051F320 微控制器內部集成了一個USB 接收器，簡單易用，因此，用它進行USB 接口的硬件設計也顯得比較簡單。主要包括兩部分的內容，一是接口轉換模塊供電方式的選擇，二是USB 引腳的連接。圖2 是其USB 接口電路圖。模塊選擇自供電模式，圖2所示的整個模塊的供電電源都來自外部5V 電源。C8051F320 中的USB 收發器內部已經集成了上拉電阻，不需要任何外部器件就可直接與USB 接口相連。

圖 2 USB 接口連接電路圖

3.2 USB 設備固件程序設計

USB 設備固件程序是USB 設備必須實現的部分，它的主要目的是：當USB 設備連接到主機上時，主機可以發現新設備，然后建立連接并完成數據傳輸任務，也就是能夠讓上位機能夠正常檢測和識別USB 設備。因此，本固件設計的目的是使主機能夠識別C8051F320設備，以及正確的與它進行通信。同時為了在USB 上達到最大的傳輸速度，C8051F320 固件設計成中斷驅動。