基于单片机USB接口的数据采集存储电路的设计

　　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。该芯片内部528字节随机RAM和2048字节XRAM为数据缓冲和程序运行提供了充足的空间。更受欢迎的是它的串行扩展功能为当前的各种串行芯片和外部设备接口的扩展提供了极大的方便。高速的SPI硬件接口与串行FLASH RAM的无缝连接大大简化了电路板布线，而片内自带的USB接口功能使数据的存储和回放变得十分简单和快捷。在USB接口协议的支持下，使这个采集存储电路的数据回放过程简单到了极点。

　　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。