基于PB375A超低成本的U盘数据采集器设计

　
基于pb375a超低成本的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、操作简单、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u盘读写芯片芯片pb375a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/fat16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u盘读写芯片芯片pb375a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512字节 后，单片机通过u盘读写芯片芯片
pb375a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，由于pb375a芯片将usb host和文
件系统集成到芯片内，所以无需去了解usb host和文件系统也可以很简单的实现u盘读写的功能。  

　　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p21～p24通
用i／o引脚模拟4线spi实现与pb375a芯片的通信。这里需要注意 两点。第一，c8051f340是3 v低功耗单片机，pb375a的电平
也是3v系统，从而单片机与pb375a之间的电平是直接兼容的，由于u盘需要5v电源系统，因此需要5 v电源模块给u盘单独供
电。第二，图2所示的pb375a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。


　　3 系统软件设计
　　如图5所示，c8051f340单片机主程序需要首先完成单片机i／o引脚的设置与相关寄存器配置，然后读取p4口用户输入控
制指令，并根据用 户指令设置a／d转换器参数，接着初始化pb375a通信端口，进而初始化pb375a芯片。紧接着发送命令检查
u盘是否插入，以及插入的u盘是否准备就 绪。一旦u盘准备就绪，就在u盘新建文本文件格式的数据采集文件，然后打开文
件，并使文件指针指向文件尾部以方便后面写入采集数据。所有准备工作完成，就 可以启动a／d转换器。如果采样数据达到
u盘1个扇区512字节，那么就可以将采样数据一次性写入u盘的1个扇区中。这里需要注意一点。为了实现不间断实时采样，在
设计数据的采集和存储时采用了“乒乓制”，即在单片机开辟 了a、b两个512字节的ram存储区，而a、b两个存储区分别交替
完成存储采样数据和将采样数据搬移到u盘中的任务，相互独立工作，互不干扰，有效地解 决了存储数据与搬移数据可能出
现的冲突。第二，a／d转换器采集到的数据不是真实的电压值，而只是真实电压值与参考电压相比的相对值，因此为了今后
对采样 值分析方便，还需要计算出真实采样电压值，并将数字转换为字符后再存储到u盘采样数据文件中。

　　c8051f340单片机通过pb375a访问u盘是系统软件的核心部分，在实现这部分功能的程序中可以参考深圳蓝色飞舞科技提
供的pb375a的u盘读写操作例程函数。这里以系统插入u盘，向u盘写入512字节数据，然后拔出的过程为例，简单介绍单片机
访问pb375a的程序流程。
1.    发送检测u盘是否存在命令，若u盘插入则返回00成功状态码；若不存在则返回u盘未连接状态码。
2.    打开文件，根据文件路径打开对于文件，若操作成功则会返回00成功状态码。
3.    定位文件到最后，发送0xff 0xff 0xff 0xff则表示指针指向文件最后。
4.    写入数据命令，若操作成功，返回00成功状态码
5.    关闭文件。
从而最终完成对u盘的访问。
pb375a作为一款优秀的单片机读写u盘方案芯片，集成usb host和文件系统，让您将您的系统增加u盘读写功能时无需了解底
层的usb host协议和文件系统，您需要做的只是发送几个简单的命令，对您的单片机的rom空间和ram都要求极小。
● 支持1.5mbps低速和12mbps 全速usb 通讯，兼容usb v2.0，外围元器件只需要晶体和电容。
● 支持usb-host 主机接口， 支持等效命令集的usb 存储设备（包括u 盘/usb 硬盘/usb 闪存盘/usb 读卡器）。
●检测usb 设备的连接和断开。
●支持sd 卡以及与其协议兼容的mmc 卡和tf 卡等。
● 内置fat16 和fat32 以及fat12 文件系统的管理固件，支持容量高达32gb 的u 盘和sd 卡。
● 提供文件管理功能：打开、新建或删除文件，定位文件位置。
● 提供文件读写功能：以字节为最小单位对多级子目录下的文件进行读写。
● 提供spi 设备接口，支持连接到单片机的spi 串行总线。
● 提供异步串口，支持连接到单片机的串行口。
●3.3v 电源电压以及3v 电源电压，支持低功耗模式。
http://www.daxia.com/bibis/upload/2009_8_12_15_23_01.jpg

　　结语
　　本文设计的数据采集器利 用高度集成的c8051f340处理器实现了数据a／d转换和系统控制，利用pb375a实现了采集器的
usb主机及文件系统功能，从而使采集的数据能以fat32文 件系统格式直接存储到u盘中。该采集器数据收集方便，便于计算
机分析，同时仅有c8051f340和pb375a两个主要器件，结构简单，工作稳定，只有名 片大小，成本不足45元(不包括u盘)，已
成功应用于工业现场。

例程和详细资料下载：
http://www.daxia.com/bibis/upload/pb375a-sdk.671.rar
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