基于USB的樁基靜載荷無線測控系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言
    現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中一般通過PCI口、ISA口或是RS 232串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，但是這些傳統(tǒng)的接口存在著體積龐大、共享性差、電磁抗干擾性弱等缺點，因此數(shù)據(jù)容易失真，與傳統(tǒng)的接口相比較，USB接口技術(shù)以其即插即用、熱插拔、接口體積小巧、傳輸可靠、良好的兼容性、共享式通信和低成本等優(yōu)點，成為外圍設(shè)備與計算機進(jìn)行連接的新型接口。
    本文針對現(xiàn)有樁基測試數(shù)據(jù)采集方法的弊端和實時數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制的需要，設(shè)計了一個基于USB接口傳輸?shù)膶嶒炏到y(tǒng)，此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上位機與數(shù)據(jù)采集箱之間的快速數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)上位機對各個通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理(及對下位機的)控制，系統(tǒng)安全可靠。

1 測控系統(tǒng)設(shè)計
    該系統(tǒng)由負(fù)責(zé)實現(xiàn)采集、存儲、數(shù)據(jù)傳輸功能的數(shù)據(jù)采集箱、上位機、無線收發(fā)模塊及接收機組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集箱采用傳感器前端+智能采集、控制單元(應(yīng)力傳感器模塊，位移傳感器模塊，振弦傳感器模塊，RS 232通信模塊，液壓控制模塊)+主控單元的架構(gòu)，主控卡為數(shù)據(jù)采集箱的核心，實現(xiàn)與上位機的通信以及與智能數(shù)據(jù)測控單元的通信。各種傳感器信號首先經(jīng)過智能采集單元模塊進(jìn)行信號調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換，同時與主控單元模塊通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣便于其他功能的擴展。經(jīng)過主控卡讀取來的信號通過無線傳輸模塊發(fā)送給接收機，接收機再通過USB與上位機通訊。主控卡中增設(shè)有大容量NandFLASH存儲器，實現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的存儲備份。當(dāng)主控卡和上位機無線傳輸數(shù)據(jù)失敗時，可以通過主控卡上預(yù)留的RS 232接口把FLASH存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)讀走，F(xiàn)LASH存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)掉電后也可長時間保存，增強了系統(tǒng)的可靠性。

    系統(tǒng)中各模塊通過底板供電，為了抗干擾消除模塊之間電源的相互影響，每個模塊內(nèi)部對+5 V電源采用DC／DC隔離。由于在樁基施工現(xiàn)場一般電源不太穩(wěn)定，各種重型設(shè)備引起的干擾比較大，本系統(tǒng)各個智能采集單元相互電氣隔離，通過CAN總線進(jìn)行各模塊之間的通訊，增強系統(tǒng)了的安全性。數(shù)據(jù)采集箱采用4U歐式標(biāo)準(zhǔn)機箱，機箱由插槽、背板、電源模塊等構(gòu)成。由于傳輸距離要求不高，無線模塊采用的是瑞米斯公司先前生產(chǎn)的并口傳輸模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。接收機實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能，是由Cypress公司的CY7C68013控制芯片擴展而來。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，搭建方便，能夠達(dá)到預(yù)定要求。

2 接收機設(shè)計
    接收機由Cypress公司的CY7C68013芯片擴展而來。CY7C68013包括1個8051處理器，1個串行接口引擎(SIE)，1個USB收發(fā)器，8．5 KB片上RAM，4 KBFIFO存儲器以及1個通用可編程接口(GPIF)。智能串行接口引擎(SIE)執(zhí)行所有基本的USB功能，并將嵌入式MCU解放出來以用于實現(xiàn)專用的功能，保證其持續(xù)的高性能的傳輸速率。
2．1 硬件設(shè)計
    CY7C68013有三種可用的接口模式：端口、GPIF主控和從FIFO。本系統(tǒng)采用此GPIF主控模式，GPIF作為內(nèi)部的主控制器與FIFO直接相連，通過編程來決定控制信號的輸出狀態(tài)。對于接口數(shù)據(jù)的總8位，選擇FD[7：0]引腳，并設(shè)置WORDWIDE=0?？刂戚敵鲆_CTLn被用作讀和寫選通信號。準(zhǔn)備好輸入引腳RDYn，通過GPIF采樣，并且能強制進(jìn)行等待，繼續(xù)或重復(fù)等操作，直至進(jìn)入特定的狀態(tài)。GPIF地址線隨著數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生地址累加。芯片時鐘被配置為48 MHz的內(nèi)部時鐘，通過IFCLK引腳輸出，見圖2。

2．2 程序設(shè)計
2．2．1 固件設(shè)計
    固件(Firmware)直接與硬件進(jìn)行通信，主要功能是負(fù)責(zé)接受和處理主機發(fā)給設(shè)備的各種請求，并向主機返回設(shè)備的狀態(tài)信息。Cypress公司為了簡化固件代碼的開發(fā)過程，特別設(shè)計一個固件程序框架，框架如圖3所示。主要工作是完成初始化、USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求的處理和USB掛起電源管理服務(wù)。使用框架來構(gòu)造固件程序，首先框架初始化內(nèi)部的狀態(tài)變量，調(diào)用用戶初始化函數(shù)TD_Init()。該函數(shù)返回后，初始化USB接口到未配置狀態(tài)并使能中斷。每隔1s進(jìn)行一次設(shè)備重枚舉，直到端點接受到一個SETUP包。函數(shù)TD_Init()在框架初始化期間被調(diào)用，在設(shè)備重枚舉和任務(wù)調(diào)度啟用之前調(diào)用該函數(shù)，用來初始化用戶的全局變量。

2．2．2 驅(qū)動程序
    EZ-USB FX2的開發(fā)包提供了一個通用驅(qū)動程序(GPD)，可直接在應(yīng)用程序中調(diào)用GPD函數(shù)來實現(xiàn)與設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。GPD中提供的函數(shù)可以實現(xiàn)獲取設(shè)備信息、上傳下載固件、讀寫設(shè)備等操作。對GPD中的EZUSBSYS．C，EZUSBSYS．H，SOURCES進(jìn)行修改，在WindowsDDK與VC++6．0利用Build命令重新編譯即可生成驅(qū)動程序。使用GPD前，首先在程序中包含ezusbsys．h頭文件：
    #include”．．＼．．＼drives＼ezusbdrv＼ezusbsys．h”。
2．2．3 應(yīng)用程序
    應(yīng)用程序通過I／O控制調(diào)用訪問EZ-USB GPD。程序首先調(diào)用API函數(shù)Createfile()打開設(shè)備，并返回設(shè)備句柄，然后通過調(diào)用Win32函數(shù)DeviceIoControl()函數(shù)向設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送請求。
    程序采用BULK方式讀數(shù)據(jù)到EZ-USB設(shè)備，主要清單如下：

   
2．2．4 固件下載驅(qū)動程序
    使用該芯片特有軟配置功能，將固件程序存儲在計算機中，當(dāng)設(shè)備接入USB電纜時，由于EZ-USB具有重新枚舉的能力，在初始化枚舉以后，用戶只需要通過Cypress公司提供的開發(fā)軟件UsbContro1Panel中Download項，就可以將固件載人到控制芯片中。該方法完全是軟操作，不需要額外的硬件設(shè)備，方便程序的修改調(diào)試。

3 結(jié) 語
    介紹了基于USB接口的無線測控系統(tǒng)，USB接口技術(shù)以其即插即用、穩(wěn)定的特性以及低廉的價格，得到了廣泛的應(yīng)用。該設(shè)計是樁基靜載荷測控系統(tǒng)的最新嘗試。實驗表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定、運行可靠，在應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)定的效果，對于改善樁基測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r監(jiān)控、穩(wěn)定性、抗干擾性，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性提供了很好的實用價值。