基于單片機USB接口的數據采集存儲電路的設計

本文給出的是用于大型光伏系統運行狀態監測的數據采集存儲電路，由于采用表面貼片工藝制作，整個電路板的寬度僅為18毫米，就像使用U盤一樣方便。

采集電路硬件部分

電路的硬件結構

本系統采用了CYGNAL公司的C8051F320芯片和ATMEL公司的AT45DB321C存儲芯片作為控制和存儲的主要芯片。圖1是信號采集系統的采集及存儲系統框圖。

圖1 基于USB數據采集及存儲系統框圖

從圖1中可見，在采集過程中，傳感器的輸入模擬信號經可變增益放大器放大后送至 C8051F320，經過ADC轉換為數字信號。單片機片外有8個45DB321C芯片組成了一個32MB的Data flash存儲器，采集到的數據不斷地通過SPI接口傳送到45DB321C芯片中存儲。

與其他型號芯片相比,C8051F320帶有USB接口，片內的USB功能控制模塊符合 USB2.0規范，可在全速或低速下運行，并具有1KB USB緩存、集成收發器，無需外部電阻。可以與PC機即插即用。當需要數據時，可將采集存儲電路從現場取回，通過USB接口回放到PC機中，在 LabVEIW平臺上進行波形顯示和數據分析處理。

8051F320與45DB321C的硬件接口

系統中C8051F320與45DB321CI采用SPI單主多從機的方式通信。引腳NSS作為從機選擇線，選擇存儲芯片，低電平有效；SCK作為串行外設接口發送和接收數據的同步時鐘信號；RDY/BUZ作為判斷設備不忙或準備接收新的指令操作的信號線；SO、SI作為數據傳輸線。

本系統設計上考慮使用8片45DB321C芯片，最大容量達32MB,通過片選CS1~CS8 分別連到各45DB321C的CS端。時鐘SCK只對被選中的45DB321有效。本系統使用多片Flash芯片的設計除了提供充足的存儲空間之外，還解決了一個關鍵問題，就是借鑒硬盤領域RAID技術的思路，通過對4片一組的Flash順序操作實現一個基本的并行加速，解決了Flash寫入速度過慢的問題，大大提高了存儲性能。

具體電路如圖2所示，其中8片存儲器的SPI采用級聯只畫出一片，各自的CS片選信號由74HC138譯碼給出。

　　　　　　　　　　　　　圖2 單片機與FLASH存儲器的接口電路

采集電路的程序軟件

采集電路的程序是指固化在C8051F320 中的程序，采用c語言編寫，由主程序模塊、ADC數據采集、Flash數據存儲和USB通信四部分組成。

主程序和ADC數據采集

主程序主要完成系統初始化狀態指示操作控制和參數設置啟動A/D轉換等。

ADC數據采集程序將來自傳感器的模擬信號轉換成數字信號的。本系統中，ADC的轉換是通過Timer2的自動溢出來觸發的，而采集的速率可以事先通過上位機設置。

Flash數據存儲程序

C8051F320芯片與Flash存儲器的通信采用SPI接口方式，數據傳輸率為 12MHz(位/秒)。本設計中，C8051F320工作在SPI主機模式，SPI總線的數據傳輸都將由C8051F320發起。首先對SPI相關SFR SPI0CFG寄存器和SPI0CN寄存器進行配置，使其工作在3線主模式12MHz。通信時首先用GPIO引腳來選擇相應的Flash從器件，隨后通過讀取SPIDAT來進行讀寫操作。在使用Flash芯片進行讀寫操作時，首先要確定Flash存儲器的狀態。可通過寫入D7H命令，讀取狀態寄存器判斷設備是否Ready或處于Bus

USB通信程序

固件編程是USB設備開發過程里的主要工作。固件的主要任務是初始化單片機和外設，發送USB 請求，響應主機的標準設備請求。根據設備的功能分類完成各種數據交換請求。初始化編程主要完成USB控制器的初始化、端點初始化，交叉開關和I/O口初始化、系統時鐘設置，控制器使能。初始化后，USB設備可隨時插入主機中，主機將遵循USB協議對設備進行識別和初始化。主機識別到設備之后對設備進行配置，調用相應的驅動程序，配上上位機軟件進行相關通信操作。

Silicon lab公司提供了USBXpress的開發套件。通過使用USBXpress庫，大大簡化了USB固件程序和PC端驅動程序的開發。 USBXpress通過一系列函數實現單片機端的應用程序接口(API)。這些函數封裝了USB協議的細節，使得程序開發人員不需要了解USB的過多細節即可使用USB進行數據通信(見圖3)。

圖3 單片機與PC機的USB通信

本系統中主要用到了初始化、讀、寫、中斷這四個函數：

初始化USB_Init(0,0xEA61,NULL,NULL,Serial,250,0x80,0x100)函數；塊寫函數Block_Write()；塊讀函數Block_Read()；USB中斷使能函數。

USB的所有處理程序都是通過USB的中斷服務程序完成的。進入USB中斷后，程序調用 Get_Interrupt_Source()函數獲得USB中斷的進入原因。然后根據不同的入口情況，來進行相應的處理。比如收到數據之后，讀取相應的緩沖區內容到內存中；收到初始化命令時，復位單片機內的各個狀態參數。USB通信流程圖示于圖4。

圖4 USB通信流程圖

PC機端軟件程序

計算機端軟件程序包括兩部分：USB驅動程序和用戶應用程序。

USB驅動程序

USB驅動程序是一個軟件組件，封裝了應用程序存取硬件設備的功能函數。有些設備具有相同的屬性，把它們歸為一組標準類別，可以定義設備類規范作為該類設備的主機驅動框架。設備類驅動程序使用相似的函數，處理不同設備間的通信，這樣使設備類驅動程序的開發可以脫離設備制造商。