USB接口技術(shù)在外置式采樣系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、前言：

---- 中高速、高精度連續(xù)采樣系統(tǒng)由于采集的數(shù)據(jù)量大，通常將控制和數(shù)據(jù)通道部分做成板卡的形式，占用PC的一個(gè)ISA或PCI總線擴(kuò)展槽，通過(guò)ISA或PCI總線的高速數(shù)據(jù)傳輸率（往往通過(guò)上述總線的DMA模式）實(shí)現(xiàn)PC與采樣系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)交換。但是，這種內(nèi)置式形式很容易受到PC機(jī)箱內(nèi)高頻干擾的影響，降低系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性。如果能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)做成外置式形式，不僅能夠提高系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)還有利于系統(tǒng)的維護(hù)。

---- 普通的外置式采樣系統(tǒng)一般通過(guò)RS-232C與PC連接，由于PC機(jī)的限制，RS-232C最高數(shù)據(jù)傳輸率不超過(guò)115KBPS（基于串口芯片16550，如基于8250，則最高僅有9600BPS），同時(shí)傳輸?shù)木嚯x也不會(huì)超過(guò)15米。對(duì)于中高速、高精度連續(xù)采樣系統(tǒng)，其每秒的數(shù)據(jù)傳輸量最小為（100kHz采樣率，10位采樣精度）：100K×10=1000K，若RS-232C以115KBPS與采樣系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，則需約1000K/115K=8.7s的傳輸時(shí)間，采樣系統(tǒng)與PC接口速度的瓶頸作用會(huì)導(dǎo)致一部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失，失去連續(xù)采樣的意義。因此，提高PC與外置式采樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道的流量是實(shí)現(xiàn)外置式中高速、高精度連續(xù)采樣系統(tǒng)的關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)軟硬技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代通用串行總線接口的優(yōu)良特性給我們提供了極佳的解決方案。

二、USB接口的特點(diǎn)：

---- USB技術(shù)由三部分組成：具有USB接口的PC系統(tǒng)、能夠支持USB的系統(tǒng)軟件和使用USB接口的設(shè)備。現(xiàn)在，586以上的PC機(jī)大多數(shù)都具有USB接口，微軟推出的WIN98操作系統(tǒng)也全面支持USB設(shè)備。USB設(shè)備受到人們的矚目，是由于USB不僅改變了以往串行總線低速的局面，同時(shí)還引入許多串行總線技術(shù)不具有的新特性。USB 1.1規(guī)范支持低速1.5Mb/s和高速24Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。

---- USB總線控制協(xié)議要求在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)含有3個(gè)描敘數(shù)據(jù)類型、發(fā)送方向和終止標(biāo)志、USB設(shè)備地址的數(shù)據(jù)包，因此，USB可通過(guò)菊花鏈的形式同時(shí)掛接多個(gè)USB設(shè)備。USB設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)偵錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。USB還具有一些新的特性，如：共享性（一個(gè)物理設(shè)備可以使用許多不同的pipe）、實(shí)時(shí)性（可以實(shí)現(xiàn)和一個(gè)設(shè)備之間有效的實(shí)時(shí)通信）、動(dòng)態(tài)性（可以實(shí)現(xiàn)接口間的動(dòng)態(tài)切換）、聯(lián)合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯(lián)合起來(lái)）、多能性（各個(gè)不同的接口可以使用不同的供電模式）、自動(dòng)性（缺省的pipe的使用使基系統(tǒng)的建立和配置變得自動(dòng)并且快速）。

三、外置式采樣系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)：

---- 采用INTEL公司的8X930AX系列的USB控制器作為采樣系統(tǒng)的控制芯片，該芯片是以廣泛流行的8XC251SX系列的微控制器為MCU核心，因此，它使用與MCS51兼容的MCS251的指令系統(tǒng)。該芯片工作在12MHz的工作頻率，具有11個(gè)中斷源，其中有三個(gè)分配給USB設(shè)備。該芯片集成的USB接口符合USB 1.0標(biāo)準(zhǔn)，支持高速（12MBPS）和低速（1.5MBPS）的數(shù)據(jù)傳輸率，并可工作在同步和異步這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式下。8X930AX除了增加了USB接口外，同時(shí)也在8XC251SX基礎(chǔ)上作了許多大的改進(jìn)，如1K的片上數(shù)據(jù)RAM，支持高達(dá)256K外部程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，片上ROM可最高達(dá)到8K容量，為采樣系統(tǒng)的開發(fā)提供了許多便利之處。對(duì)熟悉MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)人員可非常迅速掌握該芯片的程序設(shè)計(jì)工作。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1:外置式采樣系統(tǒng)的硬件框圖

---- 傳感器部分可根據(jù)所采量的特點(diǎn)選擇設(shè)計(jì)，對(duì)于需長(zhǎng)距離傳輸?shù)?a href="http://www.makelele.cn/analog/" target="_blank">模擬量最好采用電流傳輸?shù)姆绞?，也就是將采樣處的各種環(huán)境量（如溫度，濕度，壓力等）通過(guò)變換為電流的形式以便于長(zhǎng)距離的傳輸，同時(shí)要注意傳輸線的屏蔽，以防傳輸過(guò)程的外界干擾。

---- 本系統(tǒng)選用的是TI的TLV2548構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換板，它具有最高200KSPS的采樣率，12位的采樣精度，具有8個(gè)輸入通道。

---- CPU1、CPU2是以INTEL的8X830AX為核心的采樣控制板，8X930AX與普通的MCS51系列的單片機(jī)相比，只是增加了USB接口。所以，控制板的設(shè)計(jì)可參考普通MCS51單片機(jī)的設(shè)計(jì)。但由于單片機(jī)自身的局限性，它不能實(shí)現(xiàn)多條指令的并發(fā)機(jī)制，所以，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)完成采樣過(guò)程并存儲(chǔ)在有限容量的外部數(shù)據(jù)RAM中，一旦外部數(shù)據(jù)RAM滿，則單片機(jī)必須停止采樣的取數(shù)據(jù)過(guò)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，即轉(zhuǎn)向?qū)⒋嬖谕獠繑?shù)據(jù)RAM的數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)保存并處理。因此，如果僅靠一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)是難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)采樣，這可以通過(guò)兩個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同處理來(lái)解決這個(gè)矛盾，如圖1所示。C1，C2是兩個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同工作控制線信號(hào)，當(dāng)CPU1必須轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，可通過(guò)C1發(fā)出一個(gè)喚醒信號(hào)通知CPU2進(jìn)入數(shù)據(jù)采樣過(guò)程，利用高速的USB接口的數(shù)據(jù)傳輸，我們可以通過(guò)計(jì)算，在100KSPS的采樣率下，10位采樣精度的要求下，裝滿64K×8的外部RAM（如TMS28F512A-15）需時(shí)間（為便于存放，10位的采樣數(shù)據(jù)占用2個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間）：
---- 64K×8/（100K×2×8）=0.32秒

---- 采用USB接口高速模式（12MBPS）有效數(shù)據(jù)傳輸需時(shí)間：
---- 64K×8/12M=0.042秒

---- 加上數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的冗余位，其上傳輸時(shí)間也遠(yuǎn)小于0.32秒。所以，在CPU2載滿外部RAM，進(jìn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程時(shí)（即處在采樣階段），CPU1早以完成了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，也就不會(huì)出現(xiàn)爭(zhēng)搶USB通道的情況。同時(shí)，CPU2也能通過(guò)C2喚醒CPU1進(jìn)入新一輪的數(shù)據(jù)采樣過(guò)程，而轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，這樣，CPU1和CPU2依次采樣、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)采樣。CPU1和CPU2能夠在高速采樣系統(tǒng)中協(xié)調(diào)工作，USB接口的高速的數(shù)據(jù)傳輸率是本系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。同時(shí)，為保證整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，不至于出現(xiàn)CPU1和CPU2爭(zhēng)搶數(shù)據(jù)通道的情況，必須保證作為雙機(jī)協(xié)調(diào)控制的C1，C2的可靠工作。

---- 本系統(tǒng)的單片機(jī)CPU1的軟件流程如圖2所示：

圖2:CPU1軟件流程圖

---- CPU2的軟件流程圖與CPU1類似 ，只需按照響應(yīng)被喚醒信號(hào)、進(jìn)行采樣流程、發(fā)喚醒CPU1信號(hào)、進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程的次序重新組織功能模塊。PC機(jī)（即上位機(jī)）的控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊可根據(jù)設(shè)計(jì)的要求組織，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受可通過(guò)調(diào)用編制的PC機(jī)USB接口驅(qū)動(dòng)模塊與采樣系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。

四、結(jié)語(yǔ)：

---- 采用USB接口的外置式中高速，高精度采樣系統(tǒng)很好的完成了我們的要求。使采樣設(shè)備具有移動(dòng)性，可自由掛接在具有USB接口的運(yùn)行在WINDOWS98平臺(tái)下的PC機(jī)上。加上自己開發(fā)的PC機(jī)通信軟件和DSP處理組件，能夠替代普通的數(shù)字示波器。另外，USB通用串行總線的優(yōu)異性能不止局限于數(shù)據(jù)傳輸率高，USB接口還支持同時(shí)掛接127個(gè)獨(dú)立的USB設(shè)備。因此，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)USB接口的采樣系統(tǒng)同時(shí)掛接在一個(gè)PC機(jī)上，組成一個(gè)采樣系統(tǒng)網(wǎng)，完成多處的連續(xù)不間斷的模擬量的采集。如果在采樣系統(tǒng)網(wǎng)上配置我們需要的控制裝置，便可實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬量的監(jiān)控系統(tǒng)。