基于8501單片機的數據采集系統設計

唐啟見，劉 娟

（湖南軟件職業學院信息工程系，湖南 湘潭 411100）

數據采集就是將要獲取的信息通過傳感器轉換為信號，并經過信號調理、采樣、量化、編碼和傳輸等步驟，最后送到計算機系統中進行處理、分析、存儲和顯示。計算機數據采集系統一般由傳感器、前置放大器、濾波器、多路模擬開關、采樣/保持(S/H)器、A/D轉換器和計算機系統組成。

1 系統硬件設計

（1）硬件組成?；赨SB總線的實時數據采集系統硬件組成包括模擬開關、A/D轉換器、單片機、USB接口芯片，為了擴展用途，還可以加上多路模擬開關和數字I/O端口。其硬件總體結構如圖1 所示。多路模擬信號經過模擬開關傳到A／D轉換器轉換為數字信號，單片機控制采集，USB接口芯片存儲采集到的數據并將其上傳至PC，同時也接收PC機USB控制器的控制信息。如圖1 所示。

圖1 系統硬件總體結構圖

（2）芯片選擇方案。在微控制器和USB接口的選擇上有2種方式。一種是采用普通單片機加上專用的USB通信芯片，現在的專用芯片中較流行的有National Semiconductor公司的USBN9602、ScanLogic公司的SL11等。另一種方案是采用具備USB通信功能的單片機。隨著USB應用的日益廣泛，Intel、SGS—Tomson、Cypress、Philips等芯片廠商都推出了具備USB通信接口的單片機。這些單片機處理能力強，有的本身就具備多路AD，構成系統的電路簡單，調試方便，電磁兼容性好，因此采用具備USB接口的單片機是構成USB數據采集系統較好的方案。不過，由于具備了USB接口，這些芯片與過去的開發系統通常是不兼容的，需要購買新的開發系統，投資較高。

本方案的芯片選擇：單片機選擇Cygnal公司的C8051F020芯片，USB通信控制選擇NationalSeniconductor公司的USBN9604芯片。

（3）系統硬件框圖。C8051F020單片機和USBN9604的接口電路如圖2 所示，該電路由C8051F020單片機、USBN9604、時鐘振蕩電路以及相應的外圍電路組成。其中USBN9604通過外部中斷INT0與C805 1F020單片機進行通信。

C805 1F2020單片機與USBN9604的并行連接有非復用和復用2種方式。它們可通過設置引腳MODE0、MODEl來選擇。在非復用方式時，可用控制引腳CS、RD、WR、地址引腳A0和雙向數據線D[7：0]實現相應的地址讀寫。而在復用方式時，則使用控制引腳CS、RD、WR、地址鎖存信號ALE和雙向數據線D[7：0]實現其地址讀寫。

多路模擬輸入信號經多路模擬開關控制將其中的一路接入串行A／D轉換器，A／D轉換器經光電隔離后串行輸出到移位寄存器，移位寄存器將此結果轉為8位并行數據，C8051系統通。

過8位的并行接口傳送A/D轉換器采集的數據，存儲在FIFO存儲器中；一旦FIFO存滿，SIE立刻對數據進行處理，然后C805 1F020系統將數據從FIFO存儲器中讀出，由收發器通過數據線 (D+、D一)送至主機。圖2 中USBN9604的CLKOUT與C8051F020的XTAL1相連，即USBN9604的時鐘輸出為C8051F020提供時鐘輸入。USBN9604的復位端接RC電路以保證復位電路可靠地工作。由于晶振頻率較高，結合USBN9604內部網絡，在XOUT端串接100mF電容及470mH電感，起穩定內部振蕩頻率的作用。

設計的主要功能：模擬數據被C805 1F020的ADC采集并進行處理，C805 1F020通過USB控制器把它發送到Host(PC或者是工作臺)，相反，Host可以把這數據發送給USB控制器。

2 系統軟件設計

一個USB設備的軟件一般包括主機的驅動程序、應用程序和固件程序。固件實際上是單片機的程序文件，存放在單片機中，包括USB設備的連接、USB協議、中斷處理等。

USB固件程序的結構一般是基于中斷處理的。主程序做完必要的初始化工作后，就等待USB中斷的產生，中斷產生后，根據中斷狀態對相應的端點讀取數據，或是向相應的端點發送數據。USB單片機控制程序系統解決方案通常由3部分組成：初始化部分，初始化單片機和所有的外圍電路 (包括USBN9604)；主循環部分，其任務是可以中斷的；中斷服務程序，其任務是對時間敏感的，必須馬上執行。

初始化USB須使用USB讀／寫函數對USB控制器內部的控制寄存器進行設置。中斷服務程序處理USB控制器產生的中斷，將數據從USB內部FIFO讀出，并建立正確的事件標志，以通知主循環程序處理。初始化單片機主要就是對ADC進行初始化。

3 結語

USB為計算機外設輸入輸出提供了新的接口標準。它使設備具有熱插拔、即插即用、自動配置的能力，并標準化設備連接。USB的級聯星型拓撲結構大大擴充了外設數量，使用外設更加便捷，快速。而新提出的USB2．0標準更是將數據傳輸速率提高到了一個新的高度，可以說，USB接口具有很好的應用前景。

[1]林嶸，孫金生，秦華旺，等.數據轉換與接口技術[M].南京：東南大學出版社，2004.