单片机与USB接口实现电力补偿装置控制系统

在一些特殊的工业场合，有时需要将传感器的信号不断的实时采集和存储起来，并且到一定时间再把数据回放到PC机中进行分析和处理。在工作环境恶劣的情况下采用高性能的单片机和工业级大容量的FLASH存储器的方案恐怕就是最适当的选择了。CYGNAL公司的C8051F320 SOC是一种具有8051内核的高性能单片机，运行速度为普通8051的12倍。

　　本文给出的是用于大型光伏系统运行状态监测的数据采集存储电路，由于采用表面贴片工艺制作，整个电路板的宽度仅为18毫米，就像使用U盘一样方便。

　　采集电路硬件部分

　　电路的硬件结构

　　本系统采用了CYGNAL公司的C8051F320芯片和ATMEL公司的AT45DB321C存储芯片作为控制和存储的主要芯片。图1是信号采集系统的采集及存储系统框图。

　　图1 基于USB数据采集及存储系统框图

　　从图1中可见，在采集过程中，传感器的输入模拟信号经可变增益放大器放大后送至C8051F320，经过ADC转换为数字信号。单片机片外有8个45DB321C芯片组成了一个32MB的Data flash存储器，采集到的数据不断地通过SPI接口传送到45DB321C芯片中存储。

　　与其他型号芯片相比,C8051F320带有USB接口，片内的USB功能控制模块符合USB2.0规范，可在全速或低速下运行，并具有1KB USB缓存、集成收发器，无需外部电阻。可以与PC机即插即用。当需要数据时，可将采集存储电路从现场取回，通过USB接口回放到PC机中，在LabVEIW平台上进行波形显示和数据分析处理。

　　8051F320与45DB321C的硬件接口

　　系统中C8051F320与45DB321CI采用SPI单主多从机的方式通信。引脚NSS作为从机选择线，选择存储芯片，低电平有效;SCK作为串行外设接口发送和接收数据的同步时钟信号;RDY/BUZ作为判断设备不忙或准备接收新的指令操作的信号线;SO、SI作为数据传输线。

　　本系统设计上考虑使用8片45DB321C芯片，最大容量达32MB,通过片选CS1~CS8分别连到各45DB321C的CS端。时钟SCK只对被选中的45DB321有效。本系统使用多片Flash芯片的设计除了提供充足的存储空间之外，还解决了一个关键问题，就是借鉴硬盘领域RAID技术的思路，通过对4片一组的Flash顺序操作实现一个基本的并行加速，解决了Flash写入速度过慢的问题，大大提高了存储性能。

　　具体电路如图2所示，其中8片存储器的SPI采用级联只画出一片，各自的CS片选信号由74HC138译码给出。

　　图2 单片机与FLASH存储器的接口电路

　　采集电路的程序软件

　　采集电路的程序是指固化在C8051F320 中的程序，采用c语言编写，由主程序模块、ADC数据采集、Flash数据存储和USB通信四部分组成。

　　主程序和ADC数据采集

　　主程序主要完成系统初始化状态指示操作控制和参数设置启动A/D转换等。

　　ADC数据采集程序将来自传感器的模拟信号转换成数字信号的。本系统中，ADC的转换是通过Timer2的自动溢出来触发的，而采集的速率可以事先通过上位机设置。