电子发烧友网 > 测量仪表 > 正文

基于C8051F060和USBl00模块实现高速实时数据传输和采集系统的设计

2020年07月31日 15:59 次阅读

引 言

在工业控制现场,常常需要采集多路的现场数据,如电压、电流、温度、湿度、气压等。数据采集器将现场的模拟量经过A/D转换后变成数字量并传输到主机进行处理,由主机根据处理的结果,将控制信号传输给现场执行模块进行各种操作。由于有些工业现场需要对现场的模拟量进行高速A/D数据采集,目前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求。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。本文介绍一个基于C8051F060的USB高速A/D数据采集器。通过本系统,不仅能了解数据采集的一般过程以及一般数据采集系统的构成,还能了解C8051F060单片机、USBl00模块的功能。该系统最高传输速度可达8 Mbps。

1、 系统原理

该系统由工控机、USBl00、C805lF060单片机、多路模拟切换开关、四路模拟运算放大器、可反复充放电的锂离子电池等构成。系统电路原理框图如图1所示。

基于C8051F060和USBl00模块实现高速实时数据传输和采集系统的设计

1.1 C8051F060单片机

C8051F060是Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信号片上系统型MCU。具有59个数字I/0引脚,片内集成了2个16位、1 Msps的ADC;有与高速流水线结构的8051兼容的CIP一51内核(可达25MIPS),有DMA控制器和局域网(CAN2.OB)控制器;32个消息对象,每个消息对象有自己的标识屏蔽;具有全速、非侵入式的在系统调试接口(片内),10位、200 ksps的ADC,带8通道模拟多路开关,2个12位DAC;具有可编程数据更新方式;64 KB可在系统编程的Flash内存,4352(4K+256)字节的片内RAM,可寻址64 KB地址空间的外部数据存储器接口,硬件实现的SPI、SMBus/I2C和2个UART串行接口;5个通用的16位定时器,6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器数组,片内看门狗定时器、VDD监视器、时钟振荡器温度传感器

C8051F060是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。Flash存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新8051固件。

C8051F060单片机的P0.O配置为外部中断源(INT0)。P0.1配置为外部中断源(INTl),下降沿触发输入,当USBl00模块接收到工控机数据时触发INTl中断。PO.2配置为通用I/0,当电池电压低到一定程度时被MCU检测到并做低电压处理。P3.0~P3.7配置为通用I/0,P3.0用于驱动发光二极管,P3.1用作USBl00的写控制线,P3.2用作USBl00的读控制线,P3.3、P3.4用作模拟控制开关的控制线,P3.5用于控制传感器的供电(当不需要采集数据时关掉传感器电源以减少系统功耗),P3.6、P3.7用作电平转换芯片74ALVCl64245的数据方向选择控制线。P1配置为通用I/O,作为8位并行数据线。P5配置为通用I/O,作为8位拨码开关的输入,用8位拨码开关设定MCU的数据采集速度。C8051F060接线图如图2所示。

1.2 USBl00通用串行总线模块

USBlOO是基于ASIC设计的,内部封装了USBl.1全部协议以及300位元组的内部FIF0,8位并行数据接口,对USB的操作类似于对外部内存的操作,由USBl00模块完成全部协议的转换和封装,使开发的过程变得简单。注意:由于USBlOO输出TTL电平的数据,可以与5V的单片机很好地连接,而C8051F060是3.3 V的系统,为了系统的稳定性,中间需要增加3~5 V电平转换电路。

DO~D7:数据口是一个8位双向I/0口。它是一个8位并口,C8051F060通过它和USBlOO交换数据。

RD:允许内部接收缓冲区数据通过8位并行总线读出。

WR:将8位并行总线上的数据锁存入内部缓冲区。

TXE:高表示模块发送缓冲区已满;低表示发送缓冲区为空,可以发送数据。

RXF:高表示模块没有数据输出;低表示模块有数据输出,可以读数据。

LISBVCC:USB界面的电源脚。

D+:USB数据脚。

D一:USB数据脚。

GND:电源地。

0UTVCC:+5V输出,可以提供给外部MCU使用,最大为400 mA。

NC:空引脚。

USBl00模块的控制时序:

发送时序如图3所示。当单片机检测到USBl00模块TXE为低时,表示内部发送缓冲区允许发送数据,可以将数据通过8位数据总线DO~D7发给USBl00模块,发送数据锁存由WR控制;USBl00模块TXE为高时,禁止发送数据。

接收时序如图4所示,当单片机检测到USBl00模块RXF为低时,表示内部接收缓冲区有数据,可以通过8位数据总线DO~D7发给C8051F060单片机,接收数据锁存由RD控制。

1.3 多路模拟切换开关

因为C8051F060只有2路高速A/D转换器,而实际上有4路模拟量需要采集,故需要一个多路模拟切换开关。NLAS4684是两路单刀双执CMOS模拟切换开关,具有很低的导通电阻。当ADO_CON、ADl_CON为高电平时,运放的输出OUT2进入ADO进行A/D转换,运放的输出OUT4进入ADl进行A/D转换;当ADO_CON、ADl_CON为低电平时,运放的输出OUTl进入ADO进行A/D转换,运放的输出OUT3进入AD1进行A/D转换,如图5所示。

1.4 模拟运算放大电路

LM134、R1、R2、D1构成恒流源电路,对桥式电路传感器提供恒流源。桥式电路传感器输出信号INl+、INl一经INA326EA放大后送入多路模拟切换开关,然后由C805lF060的A/D电路进行A/D转换。INA326EA是一款单电压供电、高性能、低功耗、满幅度输入输出的仪表运算放大器。运算放大器电路放大倍数G=2K1/R3。总共有4路模拟运算放大电路。图6为其中一路模拟运算放大电路。

1.5 供电电路

为了符合工业现场便携式的需要,选用上海捷士电池制品有限公司的JS一7.4V一1.2Ah可反复充放电的锂离子电池。电池采用锂离子083448电芯,组合方式为两串,电池容量1.2 Ah,电池电压7.4 V,外形尺寸50 mm×37mm×17 mm,重量55 g。该电池具有电池过充保护、过放保护、短路保护、过流保护功能(这些功能已经集成在电池内部,便于使用)。TPS76650[)是具有250 mA输出能力的LDO芯片,电池电压通过该芯片的5、6脚输入,7脚输出稳定的+5 V电压供系统使用;2脚是对TPS76650D是否工作正常的指示输出,当芯片工作正常时,2脚输出高电平,当芯片输出电压在4.6~4.9 V时,2脚输出低电

平,R1为外部上拉电阻。TPSll00为大电流驱动能力、低导通电阻的电源分配开关;输出5 V电压为传感器电路提供恒流源,通过SPXlll7稳压成3.3 V为传感器放大电路供电。为了节省耗电,C8051F060可以通过TPSll00的4脚关掉传感器电路的恒流源和放大电路。

另外,当采集器和计算机通过USB相接时,因为USB提供+5 V/500 mA电源,采集器可以通过USB连接线对采集器供电。供电电路如图7所示。

2、 采集系统的编程

2.1 单片机编程

采用Silicon公司的Silicon Laboratories IDE集成编辑、编译、仿真、下载软件包,用C语言进行软件编写。系统通电后,首先要对单片机进行初始化,包括单片机的I/0端口和交叉开关、定时器的初始化,A/D转换器的初始化以及A/D参考电压的初始化等。工控机通过USB口对便携式数据采集器发送0x41、0x42、0x43、0x4_4,便携式数据采集器分别回送传感器1、2、2、4的200个A/D采集数据,高位在前,低位在后。(部分源代码程序略——编者注)

2.2 工控机编程

在工控机上安装好USBlOO模块的专用驱动程序后,USBl00即可作为一个标准的设备,按照与串口完全一样的方法进行编程。本次设计采用了VB编程。在VB中采用MSComm控件,将USB接口作为一个标准的串口使用。程序分为两部分:一部分是USB接口程序;另一部分是应用程序。将由C8051F060采集到的数据用直观的图像方法显示出来。

3、结 语

C8051F060作为新一代8051单片机,具有功能强大、体积小、工作稳定等特点,适用于复杂控制系统。本文只介绍了基于C8051F060的USB高速A/D数据采集器。数据采集器已经成功运用于某工程中。对其他相类似的数据采集、USB数据传输应用具有一定的参考价值。

责任编辑:gt

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播

电子发烧友观察

一线报道 · 深度观察 · 最新资讯
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

书童哥(龙顺宇)62讲生动课程带您玩儿转STM8单片机

【课程介绍】:朋友们大家好,本套视频教程由本人录制,现做为录播课程上传至电子发烧友网平台,感谢电子发烧友网让单片机学习的
发烧友学院发表于 2019-01-19 00:00 3016次阅读
书童哥(龙顺宇)62讲生动课程带您玩儿转STM8单片机

基于复杂可编程逻辑器件CPLD实现示波器的存储和...

所谓数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来储存信号,数字存储示波器的简称是DSO(“Digital....
发表于 2020-07-31 17:46 64次阅读
基于复杂可编程逻辑器件CPLD实现示波器的存储和...

基于复杂可编程逻辑器件实现数据采集系统的软硬件设...

以往的数据采集系统多数采用单片机、DSP等微处理器产生A/D转换芯片所需要的控制时序,以及通道转换所....
发表于 2020-07-31 17:23 82次阅读
基于复杂可编程逻辑器件实现数据采集系统的软硬件设...

使用CPLD器件和VHDL语言实现USB收发模块...

当前,高密度可编程逻辑器件CPLD,由于具有巨大的灵活性而广泛应用于状态机、同步、译码、解码、计数、....
发表于 2020-07-31 17:10 20次阅读
使用CPLD器件和VHDL语言实现USB收发模块...

数字电位器MAX5481的结构、功能及应用分析

夫兰克一赫兹实验是近代物理中一个重要实验,它通过直接测量电子碰撞中传递的能量来证实原子能级的存在。夫....
发表于 2020-07-31 16:55 47次阅读
数字电位器MAX5481的结构、功能及应用分析

低功耗模数转换器FS511的特性、引脚功能和应用...

FS511是富晶半导体推出的一款高精度、低功耗模数转换器。其内核是一个18位精度的△-∑ADC,除△....
发表于 2020-07-31 15:30 30次阅读
低功耗模数转换器FS511的特性、引脚功能和应用...

高电压大功率运算放大器PA42的工作原理、特点及...

PA42是美国APEX公司推出的一种高电压单片场效应管大功率运算放大器,它具有工作电压高(350V)....
发表于 2020-07-31 14:59 64次阅读
高电压大功率运算放大器PA42的工作原理、特点及...

基于AT89C51单片机和DDS器件实现频率特征...

频率特性是一个系统(或元件)对不同频率正弦输入信号的响应特性。如图1所示,被测系统输入幅值为Ar、角....
发表于 2020-07-31 14:45 94次阅读
基于AT89C51单片机和DDS器件实现频率特征...

基于8031单片机和转换系统实现智能化浪涌电流测...

根据国家标准GB/4023-1997提出的浪涌电流的测试标准,参照美国国家半导体公司的测试标准及日本....
发表于 2020-07-31 14:35 39次阅读
基于8031单片机和转换系统实现智能化浪涌电流测...

高电压测量装置的组成原理及如何事项应用设计

线圈炮的测试和研究需要对大功率脉冲电容器上的电压进行测量。即在电容的额定电压下对电容进行不同电压的充....
发表于 2020-07-31 14:23 35次阅读
 高电压测量装置的组成原理及如何事项应用设计

基于MEMS和单片机实现惯性测量组件的数据采集系...

首先简介ADISl6355AMLZ型MEMS的原理、构成及应用。在此基础上,搭建一个硬件平台,采用内....
发表于 2020-07-31 10:16 67次阅读
基于MEMS和单片机实现惯性测量组件的数据采集系...

USB4作为一个“新物种”有何特殊之处?

USB传输协议是1994年由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和N....
发表于 2020-07-31 10:07 170次阅读
USB4作为一个“新物种”有何特殊之处?

基于AT89S5l单片机和雷达技术实现电子警察抓...

在雷达型电子警察系统中,雷达通过串口(RS232或RS485总线)向控制器发送车辆的速度信息,无车辆....
发表于 2020-07-31 10:04 43次阅读
基于AT89S5l单片机和雷达技术实现电子警察抓...

usb充电器四根线接法

本文主要阐述了usb充电器四根线的接法。
发表于 2020-07-31 09:35 160次阅读
usb充电器四根线接法

电池供电的吉他效果器过载踏板设计

目前市场上的典型overdrive设计以9V运行。但是,使用Dialog的IC,可以实现超省电的过载....
发表于 2020-07-31 09:34 286次阅读
电池供电的吉他效果器过载踏板设计

六个层次详解:电磁兼容分层与综合设计法

人们在研发新产品时,往往急于实现产品的功能,于是沿用低频、低速时的经验,满足于利用软件将单片机、芯片和元器件连...
发表于 2020-07-31 07:30 4343次阅读
六个层次详解:电磁兼容分层与综合设计法

用pc817怎么实现USB转串口?

USB(fet232rl)转串口(九针的),我想全部用光耦隔离,用pc817,怎么实现啊!? ...
发表于 2020-07-31 01:11 0次阅读
用pc817怎么实现USB转串口?

关于电磁兼容的容性解决方案

共模(CM)去耦通常使用小电容(10~100nF)。小电容可以将不期望的高频电流在其进入敏感电路之前....
发表于 2020-07-30 16:10 38次阅读
关于电磁兼容的容性解决方案

VNC2双USB主/从IC的Vinco开发模块

VNCLO-MB1A,基于Vinculum II的Vinco开发模块,VNC2双USB主/从IC。 Vinco被设计为基于V...
发表于 2020-07-30 15:35 0次阅读
VNC2双USB主/从IC的Vinco开发模块

普及手机各种充电接口小知识

随着Type-C接口的全面普及,充电行业也迎来了全面的改革,原本参差不齐的数据线接口,如USB-A口....
发表于 2020-07-30 15:29 174次阅读
普及手机各种充电接口小知识

上海开发了MCS-51的单片机开发系统

ELEXCON深圳国际电子展暨第六届嵌入式系统展设有嵌入式系统专区,同期举办第九届MCU技术创新与嵌....
发表于 2020-07-30 15:29 250次阅读
上海开发了MCS-51的单片机开发系统

risc-v单片机使用分享

最近发现一直使用的ch340芯片的厂家出了risc-v内核的芯片,搞了块开发板尝尝鲜,没有开发过这种内核的芯片,查资料说要...
发表于 2020-07-30 15:27 0次阅读
risc-v单片机使用分享

可逆微型USB车载充电器Scosche Stri...

微型USB的主要缺陷是该插头不可逆。插头的顶部略小于底部,这迫使您以正确的方向插入尖端。另一个问题是....
发表于 2020-07-30 15:11 136次阅读
可逆微型USB车载充电器Scosche Stri...

饲料硬度计的作用是什么,它的工作原理的介绍

硬度是颗粒饲料品质检测的重要指标,颗粒饲料的硬度不仅影响粉化率和耐久指数,还影响适口性。适口性决定饲....
发表于 2020-07-30 13:58 90次阅读
饲料硬度计的作用是什么,它的工作原理的介绍

FTDI产品系列中最小的USB串行开发模块

UB232R,USB Mini-B FT232R评估板。 UB232R是FTDI产品系列中最小的USB串行开发模块。为...
发表于 2020-07-30 10:21 0次阅读
FTDI产品系列中最小的USB串行开发模块

基于VNC2的设计和应用解析

VNCLO-MB1A,基于Vinculum II的Vinco开发模块,VNC2双USB主/从IC。 Vinco被设计为基于V...
发表于 2020-07-30 10:21 0次阅读
基于VNC2的设计和应用解析

USB type-A如何反面走电源线?

USB type-A,,想在反面走电源线,,,做成这样的焊盘如何? ...
发表于 2020-07-30 08:03 0次阅读
USB type-A如何反面走电源线?

USB下载程序时显示被占用怎么解决?

以前还是好好的 但是最近下载的时候可能是串口冲突,导致系统蓝屏,重启电脑后再下载就趁这个样子了 不能下载了,请问...
发表于 2020-07-30 07:09 0次阅读
USB下载程序时显示被占用怎么解决?

电子综合治疗仪,中频按摩程序问题的指导

中频按摩单片机C语言程序,谁能指导一下,谢谢 ...
发表于 2020-07-29 17:51 202次阅读
电子综合治疗仪,中频按摩程序问题的指导

基于C8051F020单片机和高速运放LM636...

伴随着电子技术快速的发展,越来越多的人加入电子开发的大军。在学习电子技术和研发项目的过程中,避免不了....
发表于 2020-07-29 15:59 98次阅读
基于C8051F020单片机和高速运放LM636...

利用运算放大器如何实现低频检相器或混频器的功能设...

一些运算放大器,比如AnalogDevices公司的AD8041和Intersil公司的EL5100....
发表于 2020-07-29 14:59 144次阅读
利用运算放大器如何实现低频检相器或混频器的功能设...

前置运算放大器的噪音分析及利用CMOS工艺实现电...

D类音频功率放大器中,前置运算放大器是一个比较重要的模块,它位于整个拓扑结构中的前面,完成输入信号源....
发表于 2020-07-29 14:46 102次阅读
前置运算放大器的噪音分析及利用CMOS工艺实现电...

高带宽运算放大器的过压保护设计,有哪些解决方案

对于要求过压保护和低失真,低噪声,高带宽的放大器应用,必须特别注意过压保护(OVP)的设计。导致过压....
发表于 2020-07-29 14:42 127次阅读
高带宽运算放大器的过压保护设计,有哪些解决方案

各式单片机的封装知识合集

顾名思义,DIP(双列直插)就是两排引脚(双列)可以直接插到电路上使用(直插),一般在后面还会跟一个....
发表于 2020-07-29 13:03 125次阅读
各式单片机的封装知识合集

基于ADS8364与TMS320LF2407实现...

目前现有的测磁仪,采样使用的A/D大多为10位A/D,这使得其采样精度低,测量误差大,而且抗干扰能力....
发表于 2020-07-29 12:59 74次阅读
基于ADS8364与TMS320LF2407实现...

USB4与Thunderbolt 4同步推进,谁...

USB历经了24年的发展,USB-IF也在去年3月公布了新一代的规范更新,USB4。这一规范的正式版....
发表于 2020-07-29 07:10 1971次阅读
USB4与Thunderbolt 4同步推进,谁...

Moto G9 Plus获得德国莱茵TUV认证

从TUV Rheinland认证网站的屏幕截图中可以看出,Moto G9 Plus(型号为Motor....
发表于 2020-07-28 17:19 350次阅读
Moto G9 Plus获得德国莱茵TUV认证

苹果、谷歌和HTC等决定通过USB-C端口移除该...

经过数月的预期和许多泄漏,这些泄漏基本上使所有产品都散布了起来,三星终于推出了新的Galaxy S9....
发表于 2020-07-28 16:52 222次阅读
苹果、谷歌和HTC等决定通过USB-C端口移除该...

苹果上架织布材质的雷电 3 Pro USB-C连...

一直以来,苹果都从未推出过织布材质的原厂数据线,但最近这一传统要被打破了,而且是在超高端的雷电3 P....
发表于 2020-07-28 16:41 73次阅读
苹果上架织布材质的雷电 3 Pro USB-C连...

英飞旗下诺通推出一系列新型IP67防水USB 3...

Infinite Electronics英飞畅旗下品牌、有线和无线连接产品领先制造商L-com诺通推....
发表于 2020-07-28 16:41 66次阅读
英飞旗下诺通推出一系列新型IP67防水USB 3...

stm32f103全屏点亮oled出现杂点

/**   *   SPI_FLASH初始化   *   无   * @retval 无...
发表于 2020-07-28 15:30 223次阅读
stm32f103全屏点亮oled出现杂点

Omdia预计:到2020年发布的50%智能手机...

根据市场研究机构Omdia的最新预测,到2020年发布的智能手机中,有一半以上将具有USB-C连接器....
发表于 2020-07-28 15:25 135次阅读
Omdia预计:到2020年发布的50%智能手机...

基于C8051F120单片机实现虚拟仪器测试系统...

虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器密切结合,构建虚拟仪器代替复杂笨重的模拟仪器是目前仪器发展的....
发表于 2020-07-28 14:58 59次阅读
基于C8051F120单片机实现虚拟仪器测试系统...

基于双运算放大器AD8592的反相取样保持放大器...

许多应用需要一个输出与其输入信号的取样点反向的取样电路。一个简单的办法,是将一个共同非反向取样保持放....
发表于 2020-07-28 14:21 78次阅读
基于双运算放大器AD8592的反相取样保持放大器...

我国移动电源行业发展存在哪些问题?

刘彦龙向记者介绍,移动电源行业存在诸多问题,典型的有电芯滥用、容量虚标等。据了解,电芯是移动电源中成....
发表于 2020-07-28 10:38 182次阅读
我国移动电源行业发展存在哪些问题?

神经网络控制智能车应用解析

Michal Nand[1] 在网站 HACKADAY.IO 上通过博文 Motoku Uprisi....
发表于 2020-07-28 09:53 103次阅读
神经网络控制智能车应用解析

基于采用多路采集技术实现智能变形检测系统的设计

目前,容栅传感器以其精度高、体积小、造价低、环境适应能力强、实现机电一体化的优点,在工程位移测量领域....
发表于 2020-07-27 18:22 152次阅读
基于采用多路采集技术实现智能变形检测系统的设计

采用8051系列单片机实现分布式静力测量系统的设...

数据采集模块用来将各类传感器的数据传送到CAN总线上。整个电路包括:看门狗X5045,单片机89C5....
发表于 2020-07-27 17:15 56次阅读
采用8051系列单片机实现分布式静力测量系统的设...

基于单片机和温度传感器实现专用测温系统的设计

引言 在许多传统行业中,多路高精度温度采集系统是不可或缺的。电厂、石化行业、钢铁厂以及制药厂等....
发表于 2020-07-27 15:23 108次阅读
基于单片机和温度传感器实现专用测温系统的设计

Marshall新型家用便携音箱:搭载立体声技术...

摇滚传奇品牌 Marshall 家用音箱系列又添新将,全新单品 Emberton 便捷音箱登场。Em....
发表于 2020-07-27 15:10 125次阅读
Marshall新型家用便携音箱:搭载立体声技术...