【文章內容簡介】 號處理電路就可實現。這在一定層次上縮小了數據采集系統的體積，并降低了成本。圖 為該數據采集系統的系統原理圖。 M C U 8 0 5 1 內 核輸入數據C 8 0 5 1 F 3 2 0 U S B 電 纜U S B 控 制 器及 接 口P C 機 或筆 記 本 電 腦 圖 系統框圖 軟件系統的構成 開發(fā)一個 USB 設備，軟件設計是必不可少的。 USB 應用系統軟件設計分為三部分 :USB 外設端的單片機固件 (Firmware)程序、主機操作系統上的客戶驅動程序以及主機應用 軟件。單片機固件則響應各種來自系統的 USB 標準請求，完成各種數據的交換工作和事件處理 。而客戶驅動程序則讓主機可以識別 USB 設備，并通過應用軟件來存取 USB設備，完成通信功能。主機應用軟件通過客戶驅動程序與系統 USBI(USB Device Interface)進行通信，由系統產生 USB 數據的傳送動作，可用 Visual Basic、 visua1C++或 Delphi等軟件來開發(fā)并生成采集應用軟件及其相關使用說明，方便用戶快捷地使用本數據 通信系統。整個軟件系統的組成 如圖 所示。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 應 用程 序驅 動程 序固 件程 序硬 件層 圖 軟件系統組成 USB 數據采集系統的性能指標 該 基于 USB 總線的數據通信系統 的基本性能指標確定如下 : (1)接口方式 :USB 總線 (支持 接口標準，可熱拔插、即插即用 )； (2)輸入通道 :17 個通道 (11 個單端輸入通道和 6 個雙端輸入通道 )； (3)測量信號 :工業(yè)現場各類傳感器的輸出電壓和電流信號 ； (4)量程 :0V~5V， 0V~10V，士 5V，士 10V， 4mA~20mA； (5)每通道最高采樣頻率 100Ksps； (6)A/D 分辨率 :10Bit； (7)觸發(fā)方式 :定時器觸發(fā)，軟件觸發(fā) ； (8)FIFO 存儲器 :3KB。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 系統硬件設計 在生產工程中，應用 此 系統可對生產現場的工藝參數進行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產品質量、降低成本提供信息 的 手段。其與 上位計算機的數據傳輸是采用帶 接口的單片機作為接收控制板的核心芯片，以解決當前筆記 本電腦不提供 RS232 接口的問題。 數據通過接于 RS232 串口的數傳輸模塊傳送到上位機處的接收控制模塊中，模塊通過 USB 口將數據傳送到上位計算機中，計算機中的應用程序經過數據分析和處理得出相應數據。 系統框圖如圖 所示。 單片機 的選擇 本設計采用了 Silicon Laboratories 公司的片上系統級單片機 C8051F320 作為控制采集板的核心芯片，這是因為它具有 以 下特點。 C8051F 系列單片機具有與 MCS51 內核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準 8051 的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設及功能部件。 C8051F 系列單片機的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、 ADC、 DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、 SMBus/I2C、UART、 SPI、可編程計數器 /定時 器陣列 (PCA)、定時器、數字 I/O 端電源監(jiān)視器、看門狗定時器 (WDT)、和時鐘振蕩器等。所有器件都有內置的 FLASH 存儲器和 256 字節(jié)的內部 RAM，有些器件還可以訪問外部數據存儲器 RAM，即 XRAM。 C8051F320 是 Silabs 公司的 C8051F 系列單片機中的一款，它除了具備上述強大功能外，它還帶有 USB 控制處理器，完全遵循 USB 協議 ，支持 12Mbps 的全速傳輸或 的低速傳輸，可時鐘恢復，不需額外的晶振，其提供端點 (Endpoint)數為 8內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 個，且每個端點的傳輸類型、傳輸方向均可由設 計者自由配置。另外，它的內部還集成有 1kbyte 的 USBSRAM 和 USB 收發(fā)器。 (1)功能部件 ● 模擬外設 ① 10 位的 ADC(士 1LSB INL)：其最大可編程轉換速率可達 200ksps；可多達 17個外部輸入；可編程為單端輸入或差分輸入；內置一個溫度傳感器 (士 3℃ )； ② 2 個模擬比較器； ③ 的內部電壓基準； ④ 精確的 VDD 監(jiān)視器和欠壓檢測器。 ● USB 功能控制模塊 滿足 協議：可在全速 (12Mbps)或低速 ()下運行；集成有一個時 鐘恢復源，對于全速或低速傳輸均可不用外部晶振；支持 8 個靈活通用的端點；內置一個 IK 的 USB 專用緩沖存儲器；集成了一個 USB 接收器，不需要外部電阻。 ● 片內調試模塊 片內調試電路提供全速、非侵入式的在系統調試 (不需仿真器 )；支持端點、單步、觀察點、堆棧監(jiān)視器；可以觀察 /修改存儲器和寄存器；比使用仿真芯片、目標仿真頭和仿真插座的仿真系統有更好的性能。 ●工作溫度范圍： 0℃ 0℃ ● 高速 8051 微控制器內核 采用流水線指令結構 ，其 70%的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統時鐘周期；速度可達 25MIPS(時鐘頻率為 25MHZ 時 )。 ● 存儲器 1280 字節(jié)的內部數據 RAM(IK+256)； 16K 字節(jié)的可以在系統編程的 FLASH 閃速內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 存儲器。 ● 數字外設 25 個字節(jié)寬的端點 I/O；所有口線均耐 5V 電壓；可同時使用 UART 串口、硬件SMBusTM、 SPITM；帶有 4 個可編程的 16 位技術器 /定時器陣列；帶有 5 個捕捉 /比較模塊的通用 16 位計數器 /定時器。 ● 時鐘源 內部晶振的精度為 ；支持所有 USB 和 UART 模式；外部晶振器：晶體 、 RC、C 或外部時鐘；內置一個針對與 USB 控制器的片上時鐘乘法器。 ● 供電電壓 片上的參考電源校準器支持 USB 總線電源操作；校準器的 Bypass 模式支持 USB內部電源操作。 (2)性能特點 C805lF320 在保持 CISC 結構及指令系統不變的情況下，對指令運行實行流水業(yè)，推出了 CIP 一 51 的 CPU 模式，從而大大提高了指令運行速度，使 8051 兼容機系列進入了 8 位高速單片機行列。 傳統的單片機 I/O 端口大都是固定為某個特殊功能的輸入 /輸出口，可以是單功能或多功能， I/O 端口可編程選擇為單向 /雙向以及上拉、開漏 等。這種固定方式既占用較多引腳，配置又不夠靈活。 C8051F320 采用開關網絡以硬件方式實現 I/O 端口的靈活配置，如圖 所示。在這種通過交叉開關配置的 I/O 端口系統中，單片機外部為通用 I/O口，如 P0 口、 P1 口和 P2 口。內有輸入 /輸出的電路單元通過相應的配置寄存器控制的交叉開關配置到所選擇的端口上。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 數 字交 叉 開 關控 制 寄 存 器P 0 口P 1 口P 2 口888C 8 0 5 1 F 3 2 0P 0 . 0 ~ P 0 . 7P 1 . 0 ~ P 1 . 7P 2 . 0 ~ P 2 . 7P 2P 1P 0T 0 , T 1P C AS Y S C L KC P 1 輸 出C P 0 輸 出S M B u sS P IU A R T 圖 C8051F320 的 I/O 端口配置 C8051F320 還提供了一個完整而先進的時鐘系統，如圖 所示。在這個系統中，片內設置有一個可 編程的時鐘振蕩器 (無需外部器件 )，可提供 8 和 16MHz 時鐘的編程設定。外部振蕩器可選擇 4 種方式。當程序運行時，可實現內外時鐘的動態(tài)切換。編程選擇的時鐘輸出 CYSCLK 除供片內使用外，還可從隨意選擇的 I/O 端口輸出。 控 制 寄 存 器內 部 時 鐘可 編 程系 統 時 鐘時 鐘輸 入時 鐘振 蕩 器控 制 寄 存 器C 8 0 5 1外 部 和 時 鐘晶 體R CC時 鐘 源 圖 C8051F320 的時鐘系統 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） C8051F320 在 8 位單片機中率先配置了標準的 EC2 接口 ()。在上位機軟件支持下，通過串行的 EC2 接口直接對產品系統進行仿真調試。 C8051F 的 EC2 接口不僅支持 FlashROM 的讀 /寫操作及非侵入式在系統調試，還為在系統測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、 SFR 總線和 I/O 口弱上拉功能實現觀察和控制。 C805lF320 把 8051 單一的外部復位發(fā)展成多源復位：上電復位、掉電復位、外部引腳復位、軟件復位、時鐘檢測復位、比較器 0 復位和引腳配置復位。眾多的復位源為保障系統的安全、操作的靈活性以及零功耗系統設計帶來極大的好處。 (3)引腳及封裝 圖 C8051F320 的封裝 具體引腳如圖 所示： VDD—— 數字電源； GND—— 模擬 地； REGIN—— 5V 校準器的輸入端； 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） /RST/C2CK—— 設備的復位引腳或 EC2 調試接口的時鐘信號； —— 端口 或 EC2 調試接口的雙向信號引腳； VBUS—— USB 總線輸入腳； D+—— USB 的 D+； D—— USB 的 D； —— 端口 或外部晶振輸入； —— 端口 或外部晶振輸出； — 端口 或 ADC0 外部轉換開始輸入腳； — 端口 或外部參考電源的輸入端或輸出端； 、 、 、 、 ~、 ~ 均為相應的端口引腳。 綜上所述，選用 Silicon Laboratories 公司的 C8051F320 單片機硬件設計電路比較簡單，設計的芯片體積較小，功耗低，可以在系統調試，軟件環(huán)境集成化，省去了許多麻煩。 系統與主機連接的設計 USB 傳送信號和電源是通過一種四線的電纜，圖 的兩根線是用于發(fā)送信號。 圖 USB的電纜 電 纜中包括 VBUS、 GND 二條線，向設備提供電源 。 VBUS 使用 +5V 電源。 USB對電纜長度的要求很寬，最長可為幾米。通過選擇合 適的導線長度以匹配指定的 IR drop內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 和其它一些特性，如設備能源預算和電纜適應度。為了保證足夠的輸入電壓和終端阻抗，重要的終端設備應位于電纜的尾部。在每個端口都可檢測終端是否連接或分離，并區(qū)分出高速，或低速設備。 綜上所述，相對于工業(yè)上數據 通信在 以前常采用的 PCI 總線、 ISA 總線或者 RS232總線作為采集方式， USB 總線具有支持熱拔插、即插即用、支持共享式接口且體積小巧、節(jié)省系統資源、成本低廉性能可靠等等諸多優(yōu)點。 USB 總線支持低速、全速、高速三種傳輸速率，并且支持控制傳輸、批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸四 種傳輸類型，這使得它能支持多種外設的需要，成為一種高效靈活的數據傳輸方式。 C8051F320 提供的通用串行總線控制器（ USB0）符合 規(guī)范，可以全速或低速工作，集成了收發(fā)器和端點 FIFO RAM。共有 8 個端點：一個雙向控制端點（端點0）和三對輸入 /輸出端點（端點 13 輸入 /輸出）。 XRAM 中有 1KB 的存儲塊被專門用作 USB FIFO 空間。該 FIFO 空間被分配給端點 03；端點 13 的 FIFO 可以被配置為輸入（ IN）、輸出（ OUT）或輸入 /輸出（分內割模式）。最大的 FIFO 大小為 512 字節(jié)（端點 3）。 可以工作在全速或低速方式。片內 4 倍時鐘乘法器和時鐘恢復電路允許使用內部高精度振蕩器作為 USB 時鐘源，實現全速和低速通信。外部振蕩器也可以與 4倍時鐘乘法器配合使用來產生 USB 時鐘。 CPU 時鐘源與 USB 時鐘相互獨立。 USB 收發(fā)器符合 規(guī)范，并包含內部匹配和上拉電阻。上拉電阻可以被用軟件使能 /禁止，可以根據軟件選擇的速度設置（全速或低速）出現在 D+或 D引腳。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） … 圖 USB控制器原理框圖 USB 接口分為 A、 B 型接口和 Mini 型接口等，本文實際電路中采用了標準 A 型USB 接口 ，其封裝圖如圖 所示。 圖 USB的 A型接口封裝圖 一個帶有 USB 接口的系統，如果相具有 USB 功能必須選擇合適的 USB 控制器，市場上供應的 USB 控制器主要有帶 USB 接口的單片機或純粹的 USB 接口兩種芯片。在此選用的是 Silabs 公司的 C8051F320。 C8051F320 本身集成了全速 /低速 USB 功能，用于實現 USB 接口的外部設備（但內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 是 C8051F320 不能被用作 USB 主設備），它完全符合通用串行總線規(guī)范 版。 USB