基于C8051F320的数据采集系统USB接口设计
1 引言
随着现代工业生产和科学研究对数据采集系统的要求日益提高，传输速度、纠错能力和操作安装的简易性是人们进行采集数据时一直关注的问题，这使得数据通讯技术不可避免地成为了其中的关键技术，而数据采集系统采用何种接口进行数据通讯是影响系统整体效率的重要因素之一。USB（通用串行总线）总线接口技术由于具有速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、能够采用总线供电及使用灵活等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势[1-5]。
本文给出了一种基于C8051F320的数据采集系统USB 接口设计方案，完成了USB 接口硬件电路设计和软件程序开发，并将其应用到仓库视频监控系统中，实现了快速、方便的数据采集和传输。
2 C8051F320 单片机原理
2.1 C8051F320 的主要特点
C8051F320 是由美国Cygnal 公司推出的C8051F 系列单片机中的一款用于USB 设备的小型单片机。该器件内部集成有2304 Byte RAM 和16K Byte 的Flash 存储器。由于利用该芯片进行设计时可以不需要任何外部元件（包括电阻和晶振），因而是小型USB 应用的理想选择。与其它同类USB 产品相比，C8051F320 主要具有如下一些特点：
① 满足 USB2.0 协议；
② 可在全速（12 Mbps）或低速（1.5 Mbps）下运行；
③ 集成有一个时钟源，对于全速或低速传输均可不用外部晶振；
④ 支持 8 个灵活通用的USB 端点；
⑤ 内置一个 1K 的USB 专用缓冲存储器；
⑥ 集成了一个 USB 接收器，不需要外部电阻。
⑦ 具有高速增强型 8051 MCU 内核，该MCU 内核采用流水线式指令结构，70%的指令执行时间为一个或两个系统时钟周期，处理速度可达25MIPS（时钟频率为25MHz 时）。
此外，C8051F320 还有许多其它特性，如支持在系统编程（ISP），带有可编程的数字I/O和数字交叉开关，可提供全速、非侵入式的在系统片内调试电路等。
2.2 C8051F320 的引脚及封装
C8051F320 的引脚排列如图1 所示，封装为TQFP-32。其中VDD 为数字电源；GND为模拟地；REGIN 为5V 校准器的输入端；RST/C2CK 为设备的复位引脚或EC2 调试接口的时钟信号；P3.0/C2D 为端口P3.0 或EC2 调试接口的双向信号引脚；VBUS 为USB 总线输入脚；D+为USB 的D+；D-为USB 的D-；P0.2/XTAL1 为端口0.2 或外部晶振输入；P0.3/XTAL2 为端口P0.3 或外部晶振输出；P0.6/CNVSTR 为端口P0.6 或ADC0 外部转换开始输入脚；P0.7/VRFF 为端口P0.7 或外部参考电源的输入端或输出端；P0.0、P0.1、P0.4、P0.5、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7 均为相应的端口引脚。
3 USB 接口电路设计
3.1 USB 接口硬件电路设计
由于 C8051F320 微控制器内部集成了一个USB 接收器，简单易用，因此，用它进行USB 接口的硬件设计也显得比较简单。主要包括两部分的内容，一是接口转换模块供电方式的选择，二是USB 引脚的连接。图2 是其USB 接口电路图。模块选择自供电模式，图2所示的整个模块的供电电源都来自外部5V 电源。C8051F320 中的USB 收发器内部已经集成了上拉电阻，不需要任何外部器件就可直接与USB 接口相连。
3.2 USB 设备固件程序设计
USB 设备固件程序是USB 设备必须实现的部分，它的主要目的是：当USB 设备连接到主机上时，主机可以发现新设备，然后建立连接并完成数据传输任务，也就是能够让上位机能够正常检测和识别USB 设备。因此，本固件设计的目的是使主机能够识别C8051F320设备，以及正确的与它进行通信。同时为了在USB 上达到最大的传输速度，C8051F320 固件设计成中断驱动。
C8051F320 固件分为两个部分：前台主程序和后台中断服务程序（ISR）。在USB 固件程序中，最重要的工作就是USB 描述符的定义和USB 传输中断的处理。
USB 描述符是USB 协议定义的一套描述设备功能和属性的固定结构的描述语言。
USB2.0 中的描述符包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符等8 种标准描述符和其它一些非标准描述符。USB 主机通过USB 描述符完成设备类型的识别和配置，客户端驱动程序通过这些信息来正确访问设备并与其通信。本文在对C8051F320 的配置中除了端点0 外还用到了端点1 和端点2，它们的描述符如表1 所示。
USB 传输中断的处理也是一个重要的部分。传输中断的处理由ISR 和前台主程序共同完成。这两部分的数据交换通过事件标志和数据缓冲区来实现[6]。当C8051F320 的USB 引擎从主机收到一个数据包时，就会产生一个中断请求，C8051F320 立即响应中断，通过读取USB 功能控制器的三个中断寄存器CMINT、IN1INT 和OUT1INT 来判断中断来源（USB复位中断、端点0 中断、端点1 输入中断、端点2 输出中断），然后根据不同的中断来源跳入相应的处理模块以进行不同的中断处理，并在处理完毕后返回。其中，端点0 是每个USB设备都必须支持的默认控制传输端点，主要用于主机对USB 设备的配置、状态信息的获取和设备错误的纠正等，它的中断处理模块由控制输出和控制输入两部分组成。每次传输首先由设置事务开始，然后根据设置事务数据不同的中断来源跳入相应的处理模块以进行不同的中断处理，并在处理完毕后返回。同时在ISR 中，固件将数据包从C8051F320 的USB 引擎内部缓冲区移到一个自定义的数据缓冲区，并在随后请求清零其内部缓冲区，以使其能够继续接收新的数据包。然后返回到主循环，检查自定义缓冲区内是否有新的数据并开始其它的任务。由于这种结构，主循环只用检查自定义缓冲区内需要处理的新数据，专注于新数据的处理，而ISR 也能够以最大速度进行数据的传输。这样，程序对USB 的操作更加简单，也便于程序的维护。主程序和端点0 的控制传输程序流程分别如图3、图4 所示。端点1 和端点2 的程序流程与之类似。
4 数据的接收和显示
在主机中安装基于 C8051F320 USB 设备的驱动程序（可以在新华龙网站上下载）之后，该设备就会被默认成该主机的一个串口，因此在主机的处理中可以将它当作一个虚拟的串口进行处理，读取其数据就如读串口数据一样方便，很快就能够建立快速通信平台。
主机软件采用 VC＋＋开发的，串行通信部分采用API 函数直接进行编写。它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的方法。主机软件使用API 文件函数进行串口通信的控制。具体函数以及使用，可以查阅MSDN。
将基于 C8051F320 的USB 接口电路应用到仓库视频监控系统中，其系统结构框图如图5 所示。
5 结束语
本文利用C8051F320 速度快、处理能力强、结构简单等特点，设计了一种基于C8051F320的数据采集系统USB 接口方案，给出了USB 接口电路具体的设计方法，并对主机的数据和显示进行了开发。将设计的USB 接口应用到仓库视频监控系统中，能够实现快速、方便的数据传输，数据通信能达到上兆的传输速率，满足了实时、快速传递数据的要求。
随着现代工业生产和科学研究对数据采集系统的要求日益提高，传输速度、纠错能力和操作安装的简易性是人们进行采集数据时一直关注的问题，这使得数据通讯技术不可避免地成为了其中的关键技术，而数据采集系统采用何种接口进行数据通讯是影响系统整体效率的重要因素之一。USB（通用串行总线）总线接口技术由于具有速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、能够采用总线供电及使用灵活等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势[1-5]。
本文给出了一种基于C8051F320的数据采集系统USB 接口设计方案，完成了USB 接口硬件电路设计和软件程序开发，并将其应用到仓库视频监控系统中，实现了快速、方便的数据采集和传输。
2 C8051F320 单片机原理
2.1 C8051F320 的主要特点
C8051F320 是由美国Cygnal 公司推出的C8051F 系列单片机中的一款用于USB 设备的小型单片机。该器件内部集成有2304 Byte RAM 和16K Byte 的Flash 存储器。由于利用该芯片进行设计时可以不需要任何外部元件（包括电阻和晶振），因而是小型USB 应用的理想选择。与其它同类USB 产品相比，C8051F320 主要具有如下一些特点：
① 满足 USB2.0 协议；
② 可在全速（12 Mbps）或低速（1.5 Mbps）下运行；
③ 集成有一个时钟源，对于全速或低速传输均可不用外部晶振；
④ 支持 8 个灵活通用的USB 端点；
⑤ 内置一个 1K 的USB 专用缓冲存储器；
⑥ 集成了一个 USB 接收器，不需要外部电阻。
⑦ 具有高速增强型 8051 MCU 内核，该MCU 内核采用流水线式指令结构，70%的指令执行时间为一个或两个系统时钟周期，处理速度可达25MIPS（时钟频率为25MHz 时）。
此外，C8051F320 还有许多其它特性，如支持在系统编程（ISP），带有可编程的数字I/O和数字交叉开关，可提供全速、非侵入式的在系统片内调试电路等。
2.2 C8051F320 的引脚及封装
C8051F320 的引脚排列如图1 所示，封装为TQFP-32。其中VDD 为数字电源；GND为模拟地；REGIN 为5V 校准器的输入端；RST/C2CK 为设备的复位引脚或EC2 调试接口的时钟信号；P3.0/C2D 为端口P3.0 或EC2 调试接口的双向信号引脚；VBUS 为USB 总线输入脚；D+为USB 的D+；D-为USB 的D-；P0.2/XTAL1 为端口0.2 或外部晶振输入；P0.3/XTAL2 为端口P0.3 或外部晶振输出；P0.6/CNVSTR 为端口P0.6 或ADC0 外部转换开始输入脚；P0.7/VRFF 为端口P0.7 或外部参考电源的输入端或输出端；P0.0、P0.1、P0.4、P0.5、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7 均为相应的端口引脚。
3 USB 接口电路设计
3.1 USB 接口硬件电路设计
由于 C8051F320 微控制器内部集成了一个USB 接收器，简单易用，因此，用它进行USB 接口的硬件设计也显得比较简单。主要包括两部分的内容，一是接口转换模块供电方式的选择，二是USB 引脚的连接。图2 是其USB 接口电路图。模块选择自供电模式，图2所示的整个模块的供电电源都来自外部5V 电源。C8051F320 中的USB 收发器内部已经集成了上拉电阻，不需要任何外部器件就可直接与USB 接口相连。
3.2 USB 设备固件程序设计
USB 设备固件程序是USB 设备必须实现的部分，它的主要目的是：当USB 设备连接到主机上时，主机可以发现新设备，然后建立连接并完成数据传输任务，也就是能够让上位机能够正常检测和识别USB 设备。因此，本固件设计的目的是使主机能够识别C8051F320设备，以及正确的与它进行通信。同时为了在USB 上达到最大的传输速度，C8051F320 固件设计成中断驱动。
C8051F320 固件分为两个部分：前台主程序和后台中断服务程序（ISR）。在USB 固件程序中，最重要的工作就是USB 描述符的定义和USB 传输中断的处理。
USB 描述符是USB 协议定义的一套描述设备功能和属性的固定结构的描述语言。
USB2.0 中的描述符包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符等8 种标准描述符和其它一些非标准描述符。USB 主机通过USB 描述符完成设备类型的识别和配置，客户端驱动程序通过这些信息来正确访问设备并与其通信。本文在对C8051F320 的配置中除了端点0 外还用到了端点1 和端点2，它们的描述符如表1 所示。
USB 传输中断的处理也是一个重要的部分。传输中断的处理由ISR 和前台主程序共同完成。这两部分的数据交换通过事件标志和数据缓冲区来实现[6]。当C8051F320 的USB 引擎从主机收到一个数据包时，就会产生一个中断请求，C8051F320 立即响应中断，通过读取USB 功能控制器的三个中断寄存器CMINT、IN1INT 和OUT1INT 来判断中断来源（USB复位中断、端点0 中断、端点1 输入中断、端点2 输出中断），然后根据不同的中断来源跳入相应的处理模块以进行不同的中断处理，并在处理完毕后返回。其中，端点0 是每个USB设备都必须支持的默认控制传输端点，主要用于主机对USB 设备的配置、状态信息的获取和设备错误的纠正等，它的中断处理模块由控制输出和控制输入两部分组成。每次传输首先由设置事务开始，然后根据设置事务数据不同的中断来源跳入相应的处理模块以进行不同的中断处理，并在处理完毕后返回。同时在ISR 中，固件将数据包从C8051F320 的USB 引擎内部缓冲区移到一个自定义的数据缓冲区，并在随后请求清零其内部缓冲区，以使其能够继续接收新的数据包。然后返回到主循环，检查自定义缓冲区内是否有新的数据并开始其它的任务。由于这种结构，主循环只用检查自定义缓冲区内需要处理的新数据，专注于新数据的处理，而ISR 也能够以最大速度进行数据的传输。这样，程序对USB 的操作更加简单，也便于程序的维护。主程序和端点0 的控制传输程序流程分别如图3、图4 所示。端点1 和端点2 的程序流程与之类似。
4 数据的接收和显示
在主机中安装基于 C8051F320 USB 设备的驱动程序（可以在新华龙网站上下载）之后，该设备就会被默认成该主机的一个串口，因此在主机的处理中可以将它当作一个虚拟的串口进行处理，读取其数据就如读串口数据一样方便，很快就能够建立快速通信平台。
主机软件采用 VC＋＋开发的，串行通信部分采用API 函数直接进行编写。它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的方法。主机软件使用API 文件函数进行串口通信的控制。具体函数以及使用，可以查阅MSDN。
将基于 C8051F320 的USB 接口电路应用到仓库视频监控系统中，其系统结构框图如图5 所示。
5 结束语
本文利用C8051F320 速度快、处理能力强、结构简单等特点，设计了一种基于C8051F320的数据采集系统USB 接口方案，给出了USB 接口电路具体的设计方法，并对主机的数据和显示进行了开发。将设计的USB 接口应用到仓库视频监控系统中，能够实现快速、方便的数据传输，数据通信能达到上兆的传输速率，满足了实时、快速传递数据的要求。