原创 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。

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　　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