总第２５２期 计算机与数字工程 Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．１（ １５９ ２０１０年第１Ｏ期 基于Ｃ８０５ １ Ｆ３４０数据采集系统的设计 尹杰君姚旺生喻济兵 武汉４３００３３） （海军工程大学电子工程学院计算机工程系摘要针对某设备运行状态实时监控的需要，研制了一个高速数据采集装置，该装置采用带ＵＳＢ接口的Ｃ８０５１Ｆ３４０ 单片机为核心，同时具有多路信号切换，Ａ／Ｄ变换等功能。采用Ｋｅｉｌ ｕＶｉｓｉｏｎ３进行固件开发，实现了温度压力超限报警功 能。该系统的电路结构简单、可靠。 关键词Ｃ８０５１Ｆ３４０；ＵＳＢ；数据采集；故障预警 ＴＰ２７４．２ 中图分类号Ａ Ｄｅｓｇｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ８０５ １ Ｆ３４０ Ｙｉｎ Ｊｉｅｊｕｎ Ｙａｏ Ｗａｎｇｓｈｅｎｇ Ｙｕ Ｊｉｂｉｎｇ （Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｕｎｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａ ｃ８０５１ｆ３４０ ＳＣＭ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ＵＳＢ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ａｌｓｏ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ａｍｏｎｇ ｍｕｌｔｉ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｈａｓ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ｋｅｉｌ Ｕｖｉｓｉｏｎ ３．Ａｌａｒｍ ｗｉｌｌ ｂｅ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｖｅｒｌｏａｄ ｉｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｉｍｐｌｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ Ｃ８０５１Ｆ３４０，ＵＳＢ，ｄａｔａ－ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｐｒｅｗａｒｎｉｎｇ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＰ２７４．２ １ 引言 电子设备运行状态的稳定性直接影响到现代企 业的生产，设备发生故障后高昂的维修费以及设备 停机后给企业生产带来的损失，使得各个企业纷纷 采取措施，降低设备的故障率。通过数据采集系统 准确的获取设备运行特征数据，并对数据进行分析， 判断设备的运行状态是否良好，达到提前预防故障 出现、减少停机检修的目的。实际应用中对数据采 集系统的可靠性，准确性和便携性要求很高。目前 款高速度低成本的数据采集系统，采集信号包括该 设备输出气体的温度、压力和流量等１４个参数，适 用于特定设备运行状态的数据采集工作。 ２ 系统设计 系统设计图如图１所示，系统主要由Ｃ８Ｏ５１Ｆ３４０ 数据采集模块与上位１Ｋ；机构成。需要监控的数据通 过系统前端的传感器转换后送人预处理电路，从预处 理电路输出的数据通过Ｉ／Ｏ端口送人ＡＤ转换端口， 经过ＡＤ转换将数据保存到Ｃ８０５１Ｆ３４Ｏ单片机，最后 常用的数据传输网络（如ＲＳ２３２／ＲＳ４８５，ＣＡＮ等）已 经不能满足大量采集数据和高速实时数据传输的要 通过ＵＳＢ把数据送人上位ＰＣ机保存处理。 传感器获 ｌ Ｃ８０５１Ｆ３４０ ｌ求［３］。而ＵＳＢ传输具有高速可靠传输的优势，具有 成本低、可靠性高、维护方便等优点。本文以带有片 上ＵＳＢ和高速ＡＤ转换器的Ｃ８０５１Ｆ３４０为核心控 取些辗需 图１系统设计框图 露 制器件，利用ＵＳＢ总线高速传输的特性，设计了一 ＊收稿日期：２０１０年４月２７日，修回日期：２０１０年５月２５日 作者简介：尹杰君，男，硕士研究生，研究方向：人机接口技术。姚旺生，男，教授，研究方向：人机接口技术、嵌入式系 统等。 １６Ｏ 尹杰君等：基于Ｃ８０５１Ｆ３４０数据采集系统的设计 第３８卷 ３硬件设计 在整个硬件设计中Ｃ８０５１Ｆ３４０单片机是系统 重要的组成部分。Ｃ８０５１Ｆ３４０单片机是Ｓｉｌｉｃｏｎ 主程序负责初始化单片机的各个端口和功能模 块，设置相应的ＩＯ端口为数据输人端口，完成各项 初始化后通过ｖｏｉｄ ＵＳＢ＿ＡＰＩ—ＴＥＳＴ＿ＩＳＲ（ｖｏｉｄ）函数 进入ＵＳＢ中断服务，在中断服务中通过调用Ｇｅｔ—Ｉｎ— ｔｅｒｒｕｐｔＳｏｕｒｃｅ（）函数获得ＵＳＢ中断源。然后根据 ＿Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ公司推出的完全集成的混合信号片上 系统型ＭＣＵ。具有高速、流水线结构的８０５１兼容 的微控制器内核（可达４８ＭＩＰＳ）；通用串行总线 （ＵＳＢ）功能控制器，有８个灵活的端点管道，集成 收发器和１Ｋ ＦＩＦＯ ＲＡＭ；真正１Ｏ位２００ｋｓｐｓ的单 不同的人口情况，来进行相应的处理。比如收到初 始化命令时，复位单片机内的各个状态参数。 ＡＤ数据转换模块主要负责ＡＤ转换时的转换 时间间隔、采样精度的设置。Ｃ８０５１Ｆ３４０单片机的 端／差分ＡＤＣ，带模拟多路器；片内电压基准和温 度传感器；精确校准的１２ＭＨｚ内部振荡器和４倍 时钟乘法器；多达６４ＫＢ的片内ＦＩ ＡＳＨ存储器； 多达４３５２字节片内ＲＡＭ（２５６＋４ＫＢ）；多达４Ｏ个 端口Ｉ／Ｏ（容许５Ｖ输入）采集系统的电路设计＿６］。 由于Ｃ８０５１Ｆ３４０本身集成众多硬件电路的特 性，硬件接口设计变得非常简单，不需要再添加额 外的电子元器件就能实现ＵＳＢ的数据传输和ＡＤ 转换等，使得系统的硬件结构简单，集成度高，可靠 性好。如图２所示，单片机通过片上ＵＳＢ接口与 上位ＰＣ机连接进行数据的传输。Ｃ８０５１Ｆ３４０上 的Ｐ２．０～Ｐ２．６引脚作为数据采集的输入端口，接 受来自预处理电路输送过来的数据，最后通过单片 机的模拟多路选择器（ＡＭＵＸ）最终决定进入ＡＤ 转换的通道。 ＰＣ 图２数据采集硬件原理图 ４ 软件设计 系统的软件部分包括单片机固件和上位ＰＣ 机客户端程序。单片机固件主要负责单片机初始 化及与上位机的通信准备，而客户端程序则负责对 固件中相应控制的调用，实现数据的传输控制、数 据保存以及故障的预警。 ４．１单片机固件（ｆｉｒｍｗａｒｅ） 单片机固件采用Ｋｅｉｌ ｕＶｉｓｉｏｎ３软件进行编 写，由主程序，ＡＤ数据转换，ＵＳＢ通讯三个模块组 成。 ＡＤ转换启动有６种触发方式，由ＡＤＣ０ＣＮ中的 ＡＤＣ０转换启动方式位（ＡＤＯＣＭ２－０）的状态决定 采用哪一种方式。本系统则是是通过单片机中的 定时器２的每次计时溢出来触发ＡＤ转换。为确 保每次定时器触发ＡＤ转换时上一次数据转换完 全结束，因此定时器２溢出后到下一次计时溢出的 时间间隔（Ｔｃｏｎｔ）必须要大于ＡＤ转换时间，才能 保证每次ＡＤ转换的完整进行。ＡＤ转换时间由建 立转换时间（Ｔｓｅｔｔｌｅ）和采样时间（Ｔｓａｍｐｌｅ）构成。 图３所示为在差分方式下等效的ＡＤ转换的输入 电路。对于一个给定的建立精度（ＳＡ）的系统中， 所需要的ＡＤＣ建立时间（Ｔｓｅｔｔｌｅ）可以用方程１来 确定。而采样时间（Ｔｓａｍｐｌｅ）通过查询技术手册得 知需要１Ｏ个ＳＡＲ时钟。Ｔｃｏｎｔ则必须要满足式 （２）和式（３），才能满足设计要求。 ｍｕｘ选择 — ，Ｌ —］ —— ＪＲｍ 。二５Ｋ 丰ｃ Ｅ＝５ｐＥ 网 ｊ｝＝＿ ¨＝＿ ！ 肚 ．・ 一 选择 图３ ＡＤ转换等效输入电路 ｉｎ（ ） Ｒ ＊Ｃ唧 （１） 其中：ＳＡ是建立精度，用一个ＬＳＢ的分数表示（例 如，建立精度０．２５对应１／４Ｉ ＳＢ）；ｔ为所需要的建 立时间（Ｔｓｅｔｔｌｅ），以秒为单位； 为ＡＤＣ的分辨 率，用比特表示。Ｒ 为ＡＭＵＸ电阻与外部信号 源电阻之和；Ｃ 北为ＡＤＣ采样电容［ ］ 丁ｃ。７ｚ ＝（６５５３５一Ｋ）＊ （２） 其中：Ｋ为定时器２溢出后重载的计数数值；ｃｌｋ为 系统时钟频率。 Ｔｃｏｎｔ￣Ｔｓｅｔｔｌｅ４－Ｔｓａｍｐｌｅ： （３） ＵＳＢ通讯模块则设置单片机与主机的数据传 输模式。根据ＵＳＢ通信协议要求，设置相应寄存 ２０１０年第１Ｏ期 计算机与数字工程 器来配置ＵＳＢ中端点０与端点２跟上位主机进行 了对底层硬件操作中ＵＳＢ复杂的通信协议，简化 了ＵＳＢ通信开发，使得开发ＵＳＢ通信的程序变得 更容易 。程序流程图如图４所示。 数据通信，其中端点０负责与主机的控制命令接收 与响应，端点２负责将采集的数据传输到上位主 机，同时配置端点２在ＵＳＢ０的ＦＩＦＯ分配中２５６ 字节使用空间全部为数据输出。由于Ｃ８０５１Ｆ３４０ 整合的是１０位ＡＤＣ控制器，采集到的数据填充为 ｌ６位数据，以先低８位，后高８位将数据保存到系 统的ＲＡＭ中，而一次ＡＤ转换能得到２个字节的 数据，因此为了每次数据上传时充分利用端点２的 使用空间，在ＡＤＣ中断响应函数中添加一个变量ｉ 来检测进行转换的次数，在进行完１２８次ＡＤ转换 后通过调用Ｂｌｏｃｋｗｒｉｔｅ（）函数向主机发送数据。 部分代码如下： ｖｏｉｄ ＡｄｃＣｏｎｖＣｏｍｐｌｅｔｅＩＳＲ（ｖｏｉｄ）ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ １０ ｓｔａｔｉｃ ＢＹＴＥ ｉ一０； 启动设备。 。．▲Ｔ ．．．ｊ Ｔ ＩｎＰａｃｋｅｔｌ［２＊ ］一ＡＤＣＯＨ； Ｉｎ Ｐａｃｋｅｔ１［２＊ ＋１］一ＡＤＣＯＬ； ＋＋： ｉｆ（ｉ一一１２８） ｔ 一０： ＡＤＯＩＮＴ一０： ＢｌｏｃｋＷｒｉｔｅ（ＩｎＰａｃｋｅｔｌ，２５６）； ｝ ｝ ４．２上位ＰＣ机客户端程序 上位ＰＣ机客户端程序包括ＵＳＢ驱动程序和 用户应用程序两个部分。 ＵＳＢ驱动程序是一个软件组件，封装了应用 程序存取硬件设备的功能函数。有些设备具有相 同的属性，把它们归为一组标准类别，可以定义设 备类规范作为该类设备的主机驱动框架。设备类 驱动程序使用相似的函数，处理不同设备问的通 信，这样使设备类驱动程序的开发可以脱离设备制 造商［１］。本系统的驱动程序使用了Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌａｂｏ ｒａｔｏｒｉｅｓ公司提供的ＵＳＢ Ｘｐｒｅｓｓ开发包，在Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０环境下开发，封装成动态链接库ＤＩ Ｌ的 形式供用户应用程序调用 Ｊ。 用户应用程序采用Ｃ＋＋编写，由客户交互界 面，ＵＳＢ数据通信，数据保存显示，设备故障预警 四个模块组成。在ＵＳＢ数据通信模块设计中，使 用Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ公司提供的ＳＩ ＧｅｔＮｕｍ— Ｄｅｖｉｃｅｓ，ＳＩ ＧｅｔＰｒｏｄｕｃｔＳｔｒｉｎｇ（），ＳＩ Ｏｐｅｎ（），ＳＩ Ｃｌｏｓｅ（ ＳＩＲｅａｄ（ ＳＩ—Ｗｒｉｔｅ（）等ＡＰＩ函数，屏蔽 图４客户端应用程序流程图 诱发设备出现故障的原因很多，为保证设备正 常运行需要检测多方面的数据，本系统主要是检测 设备的温度和压力等的数据，检测获得的数据一旦 超过某个界限，表示设备可能出现故障。因此为了 保证设备长时间的稳定工作，需要对获取的实时数 据与事先设好的临界值进行对比，一旦超过临界 值，系统则发出警报提醒工作人员对设备进行故障 排查，起到了故障预警的效果。 ５ 结语 基于ＵＳＢ数据采集系统可供选择的方案很 多，而本设计从便携式和高速传输考虑，编写了固 件和客户端数据传输协议，使得该数据采集系统方 便携带，数据传输高速准确，具有良好的人机交互 界面，并能对一定的设备故障进行预警提醒，有较 大的使用价值。而且单片机端口资源还没有用完， 还有开发和扩展的空间。 参考文献 ［１］李英伟．ＵＳＢ２．０原理与工程开发［Ｍ］．北京：国防工业 出版社，２００７ Ｅ２］马忠梅，籍顺心，张凯，等．单片机的Ｃ语言应用程序设 计［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７ ［３］夏益民，王广君．基于ＵＳＢ的高速数据采集系统［Ｊ］．国 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