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基于CH375的井下数据采集系统设计

作者:太原科技大学电子信息工程学院 康琳 高文华 马骥  时间:2007-09-17 12:42  来源:电子设计应用

摘要:本文提出了基于CH375 USB接口芯片井下数据采集系统的实现。介绍了数据采集系统的设计方案及硬件电路,给出了CH375的硬件连接及软件设计。

关键词:矿井;USB;CH375;数据采集

引言

矿井事故的发生随着煤矿开采力度的加大,日益增多。煤矿开采、掘进、运输等整个生产过程都受瓦斯、一氧化碳、煤尘等因素的严重威胁,所以,在工程进行之前,对矿井安全因素的分析,显得尤为重要。

众所周知,地下信号的通信传输比较困难。因此,可以把矿井的温度、瓦斯浓度通过传感器采集,经由单片机实时地上传到Flash上存储,当矿井探测人员下井时,插上U盘,单片机通过INT#中断,把实时存储在Flash芯片上的数据方便快捷地采集到U盘中,带回处理。不但开发成本低,还能克服矿井下危险环境带来的不便。

CH375简介

CH375的USB主机方式支持常用USB全速设备,外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通信。CH375 还内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通信协议的固件,简化常用的控制传输。它还具有8位数据总线和读、写、片选控制线,以及中断输出,可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。它兼容USB 2.0,外围元器件只需要晶振和电容。主机端点输入和输出缓冲区各64字节,支持常用的12Mbps全速设备。支持USB设备的控制传输、批量传输和中断传输。

CH375芯片在本地端提供了通用的被动并行接口和点对点的串行接口。

USB 总线包括一对5V 电源线和一对数据信号线。USB 插座P1可以直接连接USB设备(见图1),必要时可以在提供给USB 设备的+5V 电源线上串接具有限流作用的快速电子开关,USB 电源电压必须是5V。电容C3用于CH375 内部电源节点退耦,C3是容量为1000pF~0.01mF 的独石或高频瓷片电容,如果对EMI没有要求,就可以省掉C3。电容C4和C5用于外部电源退耦,C4是容量为0.1mF的独石或高频瓷片电容。晶振X1、电容C1和C2用于CH375 的时钟振荡电路。USB-HOST主机方式要求时钟频率比较准确,X1的频率是12MHz±0.4‰,C1和C2是容量约为15pF的独石或高频瓷片电容。为使CH375可靠复位,电源电压从0 V上升到5V的上升时间应该少于100ms。如果电源上电过程较慢,并且电源断电后不能及时放电,那么CH375将不能可靠复位。可以在RSTI引脚与VCC之间跨接一个容量为0.47mF 的电容C11,以延长复位时间。在设计印刷线路板PCB 时,需要注意:退耦电容C3和C4尽量靠近CH375的相连引脚;使D+和D-信号线贴近平行布线,尽量在两侧提供地线或者覆铜,减少来自外界的信号干扰;尽量缩短XI 和XO 引脚相关信号线的长度,为了减少高频时钟对外界的干扰,可以在相关元器件周边环绕地线或者覆铜。

系统设计方案

矿井数据采集设备基本模块包括传感器模块、日历时钟芯片电路、Flash存储设备、接口电平转换电路、单片机和USB接口芯片(见图2)。

传感器模块完成数据采集功能,通过ADC把数据上传到Flash存储设备上,当接上USB外设时,给单片机一个脉冲电平,单片机初始化CH375芯片,经过日历时钟芯片的时间调整,把各个时刻矿井的周围环境数据送到USB外设上,便于把数据带回分析。

硬件电路的设计

单片机采用C8051F040、USB总线接口芯片为CH375、时钟芯片为DS1339、电平转换接口芯片采用SP3223E、Flash存储芯片采用K9F5608。部分电路如图3所示。       
                                       
CH375片选地址为B000H-BFFFH,而实际上CH375 只需要占用两个地址:BXX1H用于写命令,BXX0H 用于读写数据。CH375的D0~D7接单片机的P7.0~P7.7、A0接P6.0,即地址与命名的入口地址,单片机通过8 位并口对CH375芯片进行读写,所有操作都是由一个命令码、若干个输入数据和若干个输出数据组成,部分命令不需要输入数据,部分命令没有输出数据。命令操作步骤如下:1、 在A0=1 时向命令端口写入命令代码;2、 如果该命令具有输入数据,则在A0=0 时依次写入输入数据,每次一个字节;3、 如果该命令具有输出数据,则在A0=0 时依次读取输出数据,每次一个字节;4、 命令完成,可以暂停或者转到步骤1继续执行下一个命令。CH375专门用于USB通信,在检测到USB 总线的状态变化时,或者命令执行完成后,CH375以中断方式通知单片机进行处理。

RD读有效接P4.6、WR接P4.7、CS接P5.0。在CH375的电源中,由于采用5V电源,所以,3引脚采用外接容量为0.1mF的去耦电容。28引脚接100mF的去耦电容,在USB总线上,接上R=3.3kW的耦合电阻,在CH375的5V电源接入点接R=3.3kW的上拉电阻和C=100mF的电容。

只需要把C8051F040的交叉编译开关接口与CH375的端口用软件配置好,就完成了硬件电路的配置。
//交叉开关使能//
SFRPAGE=0x0F;
XBR0=0x00;
XBR1=0x04;
XBR2=0x40;//弱上拉使能
XBR3=0x00;

软件设计

CH375 的U 盘文件级子程序库具有以下特性:支持常用的FAT12、FAT16 和FAT32 文件系统,磁盘容量可达100GB 以上,支持多级子目录,支持8.3格式的大写字母和中文文件名,可以支持小写字母或者长文件名,支持文件打开、新建、删除、读写等。流程图和源程序代码就不在此赘述了。

由于CH375芯片内置了常用的USB固件以及大容量存储器的通信协议,无需了解协议层的结构,方便了固件的开发。实验证明,在开发过程中,只要配置好与单片机的端口,调用CH375的常用子程序,就可以完善所有USB开发,成本低而方便快捷。

结语

通过使用CH375,可以实时地采集到井下的相关数据,对于矿井环境安全的分析,降低事故发生率可以起到很好的作用。实验也表明,利用CH375实现数据采集功能,开发过程简单,成本低廉,在其它同类功能的USB数据采集分析的模块开发中,都有现实的参考价值。■
 
参考文献:
1. 陈小忠,黄宁,赵小侠.单片机接口技术常用子程序.人民邮电出版社,2005年9月
2. 杨金岩,郑应强.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例.人民邮电出版社,2005年1月
3. 潘琢金.C8051F040/1/2/3/4/5/6/7混合信号ISP FLASH微控制器数据手册.HTTP:// www.xhl.com.cn
4. USB总线接口芯片CH375中文手册.http:// www.winchiphead.com
5. 张迎新,雷文,姚静波.C8051F系列SOC单片机原理及应用.国防工业出版社,2005年8月

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