【正文】 .. 24 PCB 圖 .......................................................................................................................................................................... 25 1 前言 數(shù)據(jù)采集器是模擬工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在工業(yè)現(xiàn)場中，通常利用數(shù)據(jù)采集裝置采集實(shí)時的數(shù)據(jù)并送給 PC 機(jī)，通過運(yùn)行 PC機(jī)特定的軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。隨著工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，數(shù)據(jù)的采集正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展。其中常用的是安裝數(shù)據(jù)采集板卡的方法，其缺點(diǎn)在于：安裝麻煩，每次都需要關(guān)機(jī)后打開機(jī)箱才能插入板卡；受到計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不能外接很多設(shè)備；機(jī)箱環(huán)境 的干擾可能導(dǎo)致通訊過程中產(chǎn)生錯誤。 通用串行總線 USB 是 1995 年康柏、微軟、 IBM、 DEC 等公司為解決傳統(tǒng)總線不足而推廣的一種新型的通信標(biāo)準(zhǔn)?；?USB 的高速數(shù)據(jù)采集 器 充分利用 USB 總線的上述優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集 器 的 安裝麻煩，價格昂貴等缺陷。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)鞏固了我的單片機(jī)基礎(chǔ)以及各門知識，因設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)面廣，是對我的大學(xué)所學(xué)的一個整體回顧，更為以后的工作打下良好基礎(chǔ)。然后再通過對系統(tǒng)固件程序、 USB 設(shè)備驅(qū)動程序和主機(jī)的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)波形圖在 PC 機(jī)界面上的顯示，并對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能進(jìn)行測試。 方案一 整個系統(tǒng)以 ISP1581 為核心，負(fù)責(zé)啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，通過 AD 轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)，將采集來的數(shù)據(jù)送入 RAM 中，同時向單片機(jī)發(fā)送請求，單片機(jī)接受采集來的數(shù)據(jù)，通過 USB 的控制芯片 1581將數(shù)據(jù)送 到 PC 機(jī)中完成與主機(jī)之間的通信以及數(shù)據(jù)傳輸。 圖 數(shù)據(jù)采集器整體方案一框圖 方案二 多路輸入模擬信號進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行分時模 /數(shù)轉(zhuǎn)換， A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的多路模擬開關(guān)負(fù)責(zé)選擇信號通道； A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量數(shù)據(jù)進(jìn)入 AT89C51，再通過帶有 USB 接口的 USB 控制器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的 USB 通信，數(shù)據(jù)可通過 USB 連接線快速傳輸?shù)?PC 機(jī)中進(jìn)行保存和處理。 圖 數(shù)據(jù)采集器整體方案二框圖 方案比較 由于方案一涉及的硬件電路復(fù)雜，消耗的功率相對較大，而且 AT89C5131 采集數(shù)據(jù)更加方便，便于處理，采用多通道分時 A/D 轉(zhuǎn)換器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)單片機(jī)接受后存放在存儲芯片中，隨時向 AT89C5131 發(fā)送請求，得到允許后馬上將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?USB 接口。 3 單元模塊設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn) USB 數(shù)據(jù)采集功能，系統(tǒng)硬件電路可分為以下幾個部分： A/D 轉(zhuǎn)換電路、微控制器及 USB 控制器接口電路、外接存儲 器接口電路、系統(tǒng)外圍電路。 AT89C5131 封裝及引腳說明 根據(jù)實(shí)際需要，選擇了 AT89C5131 作為 USB 控制芯片。 圖 AT89C5131 VQFP64引腳分配圖 下面對 AT89C5131 單片機(jī)的主要管腳進(jìn)行介紹： ～ 、 ～ 、 ～ 、 ～ 、 ～ 分別是并行端口 P0、 P P P3和 P4 口的 I/O 信號引腳。 P2 口也可以作為地址線，此時～ 上輸出高 8位地址。 ～ 分別與 TWI 串行時鐘 SCL 和 TWI 串行數(shù)據(jù)SDA 復(fù)用 。 VREF 是 USB 總線參考電壓引腳，該引腳通過一個 的電阻和 D+相連可以實(shí)現(xiàn)軟件斷開功能。 RST 是單片機(jī)復(fù)位信號引腳，將 RST 引腳保持 64 個時鐘周期就會使芯片復(fù)位，當(dāng)芯片處于休眠或低功耗模式時復(fù)位可使芯片恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。 PSEN 引腳當(dāng)復(fù)位后是用來檢測 ISP（在系統(tǒng)編程模式）的外部硬件的。 AT89C5131 的 USB 接口電路 AT89C5131 內(nèi)置的 USB 設(shè)備控制器能提供 AT89C5131 和 USB 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的硬件接口； USB 控制器要求 48MHz177。AT89C5131 單片機(jī)具有 USB 接口功能，因而可直接與 USB 端口連接，通過 USB 總線與 PC機(jī)通信。 NC1234XTAL25XTAL1678VDD9AVDD10NC11AVSS12NC1314NC15NC16NC17NC18PLLF19D20D+21VREF22NC23EA24ALE25PSEN262728293031NC32NC33NC34353637383940NC41VSS4243RST444546NC47NC48NC495051525354555657585960616263NC64AT89C5131 VQFP64U1AT89C5131USBPOWER1DATA2DATA+3USBGND4SHELL15SHELL26J1USB_PR1R227R327R4100C1103GNDGNDGNDVCCVCCXTAL1XTAL2P3_6P3_7P0_0P0_1P0_2P0_3P0_4P0_5P0_6P0_7P[0_0..0_7]P2_0P2_1P2_2P2_3P2_4P2_7P[2_0..2_4]PSENRSTL1330uHALED+DD D+ 圖 USB接口電路 AT89C5131 的 USB 總線正信號 I/O 引腳 D+和負(fù)信號 I/O 引腳 D－分別與 USB 端口 J1的兩根數(shù)據(jù)線 D+和 D－相連（電阻 R2 和 R3 為可選電阻），再通過 USB 連接線即可與 PC 機(jī)的 USB接口相連 進(jìn)行通信。本系統(tǒng)中 PC機(jī)作為 USB 主機(jī)，而 AT89C5131 作為 USB 設(shè)備，因而 D+和 D－無需連接下拉電阻。 圖 中還給出了一些其他相關(guān)引腳的連接： UCAP 引腳與一個外部電容（圖中為 C1）連接來給 USB 提供電源。 XTAL1 和 XTAL2 則分別是單片機(jī)的內(nèi)部反相振蕩放大器的輸入端和輸出端 [21]，它們與作為反饋元件的片外石英晶體 Y1 及電容 C4 和 C5一起構(gòu)成一個自激振蕩器，產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時鐘信號。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 模塊 AD 轉(zhuǎn)換電路主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，同時向單片機(jī)發(fā)送請求，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)單片機(jī)接受后存放在存儲芯片中。該 A/D 轉(zhuǎn)換器是一種單片 CMOS 器件，包括 8 位模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器、 8 通道多路轉(zhuǎn)換器和與微處理器兼容的控制邏輯。其主要功能特點(diǎn)包括：分辨率為 8 位；最大不可調(diào)誤差小于 177。 ADC0809 的引腳如圖： IN026msb21212220IN12723192418IN2282582615IN312714lsb2817IN42EOC7IN53ADDA25IN64ADDB24ADDC23IN75ALE22ref()16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10U5ADC0809Q0Q1Q2 圖 ADC0809的引腳圖 ADC0809 采用 28 腳雙列直插式封裝，其引腳功能說明如下： IN0~IN7： 8路輸入通道的模擬量輸入端口。 START、 ALE： START 為 A/D 轉(zhuǎn)換啟動控制端口， ALE 為地址鎖存控制信號端口。 EOC、 OE： EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號脈沖輸出端口， OE為輸出允許控制端口。當(dāng)OE 端的電平由低變高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。一般 VREF(＋ )與 VCC 連接在一起， VREF(－ )與 GND 連接在一起。 ADD A、 ADD B、 ADD C： 8 路模擬開關(guān)的 3位地址選通輸入端，用來選擇對應(yīng)的輸入通道。 表 ADDC ADDB ADDA 輸入通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 ADC0809 的工作時序如圖 所示。 圖 ADC0809工作時序 由圖 可看出，當(dāng) 送入啟動信號 START 后， EOC 有一段時間保持高電平，表示上一次A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，在實(shí)際應(yīng)用中容易引起誤控。 A/D 轉(zhuǎn)換器接口電路 ADC0809 與單片機(jī) AT89C5131 的接口電路如圖 （單片機(jī)外圍電路見圖 ，本圖中未再畫出） 。經(jīng)鎖存器鎖存后的低三位地址 Q0~Q2 分別與 ADC0809 的地址譯碼引腳ADDA~ADDC 連接，以選通 IN0~IN7 中的一個通道。 ADC0809 片內(nèi)無時鐘，圖 中利用雙 4 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74HC393 給 ADC080929 提供時鐘輸入。 單片機(jī) 引腳作為 ADC0809 的片選信號。當(dāng) ＝ 1， WR()=0 時， 74ALS04 的 6號腳輸出為高電平，將其與 ADC0809 的轉(zhuǎn)換啟動端口 START 和地址鎖存端口 ALE連接，從而在鎖存通道地址的同時啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)在軟件上采用延時的方法來等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，因此未使用轉(zhuǎn)換結(jié)束信號引腳 EOC。 外接存儲器接口電路 外接存儲器接口電路是為了將單片機(jī)接受到的數(shù)據(jù)存儲起來，達(dá)到采樣功能 。因此在編寫單片機(jī)固件程序時可使用 FM0的用戶空間進(jìn)行在線編程，但本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時未采用在線編程的方法，而是直接將單片機(jī)程序存儲在一片外接 EEPROM 存儲器芯片中，通過將單片機(jī) EA————接低電平，使單片機(jī)執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。該存儲器芯片采用