低成本的U盘数据采集器设计

　　引 言

　　工业现场一般都需要数据采集器来完成各类数据采集任务。在很多实际应用中，往往要求数据采集器具有工作可靠、成本低廉、 *** 作简单、数据便于收集和计算机分析等特点。U盘作为新型移动存储设备，以体积小、速度高、抗震动、通用性强的特点倍受青睐。如果能在嵌入式数据采集系统中实现USB主机功能，那么嵌入式数据采集器就能像PC机一样方便灵活地利用U盘这类USB存储设备进行数据存储。本文以带有片上A／D转换器的C8051F340处理器和USB接口芯片CH375为基础，设计了一款可对100 kHz以下的低频模拟信号进行10位深度采样的低成本数据采集器。该数据采集器具有USB主机功能，可将采集的数据以FAT32文件系统格式直接存储到普通U盘中。数据采集完毕后，用户可直接从采集器上取下U盘，利用计算机方便地实现对采集数据的收集和分析处理。

　　下面分别介绍数据采集器系统方案设计和系统软硬件设计。

　　1 系统方案设计

　　系统方案如图1所示，系统主要由C8051F340单片机和USB 接口芯片CH375构成。被测信号首先通过调理电路的抗混叠滤波和限幅处理，然后送给单片机片上A／D转换器进行采样，当采样数据达到一个扇区512字节后，单片机通过自身并口控制CH375向U盘写入采样数据。采样数据在U盘中以FAT32文件系统格式写入，并以文本文件形式保存。控制输入电路负责输入用户指令，以控制A／D工作模式和改变采样频率。单片机实现U盘读写和FAT32文件系统时，使用了南京沁恒电子有限公司开发的CH375HF5．LIB库中的多个函数，该库函数的详细信息可参考文献。

　　2 系统硬件设计

　　由于C8051F340内部集成了高精度时钟源、电压调节器、A／D转换器以及用于A／D转换的参考电压源等丰富的片上外设，因此对系统进行硬件设计时，无需再外扩上述电路，从而简化了系统硬件结构，提高了集成度和可靠性。

　　如图2所示，电源模块生成的5 V电压一方面给U盘供电，一方面通过单片机的REGIN引脚输入到单片机的电压调节器，从而使单片机自己生成工作所需的3 V电压，并可将生成的3 V电压通过VDD引脚输出给其他3V器件使用。单片机利用P3口以及P20～P24通用I／O引脚模拟并口实现与CH375芯片的并口通信。这里需要注意两点。第一，C8051F340是3 V低功耗单片机，为了保证C8051F340与CH375的通信接口电平匹配，防止通信不稳定，选择了同样是3 V供电的CH375V芯片；另外，由于U盘是5 V供电驱动，而作为USB HOST的CH375是3 V供电，不能直接向U盘供电，因此需要5 V电源模块给U盘单独供电。第二，图2所示的CH375电路原理图并不完整，振荡器电路等附加电路没有全部画出，完整的电路可参考文献。被测信号经过信号调理电路后，通过单片机P25引脚进入单片机片上A／D转换器。为了使采集器能尽可能多地应用到不同采集领域，采集器A／D转换的参考电压、转化启动时钟、差分或单端采样选择、采样频率等参数设置均可根据图3所示的用户输入控制电路灵活改变。在图3的8位拨位开关中，开关1设置是差分采样还是单端采样，开关2设置A／D采样是使用内部还是外部参考电压，开关3设置A／D采样是由单片机定时器启动还是由外部输入更新时钟启动，开关4～8设置采样频率。开关4～8分别代表10 ksps、20ksps、30 ksps、40 ksps、100 ksps，通过开关4～8的不同组合，可以实现以10 ksps为步进，10～200 ksps采样频率的改变。例如，当8位拨位开关全部闭合时，意味着采样频率为200 ksps，且A／D转换采用单端采样方式，采样参考电压需从系统外部输入到图2中的VREF引脚，采样更新时钟需从系统外部输入到图2中的CNSTR引脚。另外，系统还设计了复位按键以及用于下载程序代码和进行调试的10针下载调试接口电路，如图4所示。