基于USB接口的通用測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

在許多工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和便攜化，通常采用上下位機(jī)形式的主從式結(jié)構(gòu)。

由于MCU（微控制器）成本低，編程靈活、方便，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且具有一定的智能，因而通常使用它作為下位機(jī)的主控芯片，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，并控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上位機(jī)一般使用普通的PC機(jī)、筆記本電腦或工控機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)下位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理, 并根據(jù)處理結(jié)果控制下位機(jī)的操作。上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信接口目前一般使用RS-232和USB總線接口標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于RS-232，USB 具有高速傳輸、熱插拔、即插即用等優(yōu)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，為了保證下位機(jī)高速采樣數(shù)據(jù)能及時(shí)傳送給上位機(jī)進(jìn)行分析處理，我們采用USB總線來(lái)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

1  系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

系統(tǒng)主要由PC機(jī)，高性能C8051F020微控制器(MCU),USB接口插頭，USB100模塊。圖1是其系統(tǒng)構(gòu)成框圖。

1.1 C8051F020微控制器[1]

我們選擇美國(guó)Silicon公司的微控制器（MCU）C8051F020（簡(jiǎn)稱F020）作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的CPU。F020是一種混合信號(hào)SOC型8位單片機(jī)，它有一個(gè)8通道的、轉(zhuǎn)換速率為100Kbps的12位ADC，以及一個(gè)8通道的、轉(zhuǎn)換速率為500Kbps的8位ADC；2個(gè)12位DAC；64KB FlashRom,4KBRAM；有22個(gè)中斷源和5個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。該MCU屬于C8051FXXX系列中的F02x子系列,其性能價(jià)格比在目前應(yīng)用領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力，它具有以下主要特點(diǎn)：1）芯片采用高速流水線結(jié)構(gòu)；2）先進(jìn)的JTAG調(diào)試接口；3）可靠的安全機(jī)制可利用JTAG編程加密芯片；4）強(qiáng)大的控制功能。有多達(dá)64個(gè)I/O線，有獨(dú)特?cái)?shù)字交叉開(kāi)關(guān)(digital crossbar)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引腳；5）有多達(dá)22個(gè)中斷源。

1.2  USB100[2-3]

USB100內(nèi)部封裝了USB1.1的全部協(xié)議，并帶有384字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和128字節(jié)的接收緩沖區(qū)，8位并行數(shù)據(jù)接口。對(duì)USB的操作編程類似對(duì)外部存儲(chǔ)器的操作，由于該模塊完成了全部USB協(xié)議的轉(zhuǎn)換和封裝，使得對(duì)USB的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用過(guò)程變得非常簡(jiǎn)單，用戶只要在PC機(jī)上安裝USB100模塊驅(qū)動(dòng)程序以后，對(duì)其編程可以按照與串口完全一樣的方法來(lái)完成。USB100主要的管腳及功能如表1 所示（未列出的管腳為空腳）。

表1 USB管腳功能和定義

如圖2所示，當(dāng)檢測(cè)到USB100模塊TXE為低時(shí)，表示內(nèi)部發(fā)送緩沖區(qū)允許發(fā)送數(shù)據(jù)，可以將數(shù)據(jù)通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線D0～D7發(fā)送給USB100模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)鎖存由WR控制（邊沿觸發(fā)）；當(dāng)TXE為高時(shí)，禁止發(fā)送數(shù)據(jù)。

如圖3所示，當(dāng)檢測(cè)到USB100模塊RXF為低時(shí)，表示內(nèi)部接收緩沖區(qū)有來(lái)自USB端口的數(shù)據(jù)可通過(guò)8位數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)讀入，接收數(shù)據(jù)鎖存器由RD控制（邊沿觸發(fā)）。

USB100模塊的數(shù)據(jù)線D0～D7與F020的P4端口相連，P2.4～P2.7分別與USB100模塊的TXE、RXF、WR、RD相連。

2 系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)[4－6]

動(dòng)態(tài)測(cè)試儀的任務(wù)主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和定時(shí)/計(jì)數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這就要求上下位機(jī)之間的通信有清晰、準(zhǔn)確的通信協(xié)議，來(lái)保證數(shù)據(jù)通信能夠有條不紊地進(jìn)行。

為了滿足上、下位機(jī)軟件的可擴(kuò)展性和通用性，通信協(xié)議采用數(shù)據(jù)幀的形式傳輸信息。協(xié)議幀格式見(jiàn)表2，它由起始符、長(zhǎng)度碼、幀信息、幀校驗(yàn)和終止符組成，成幀過(guò)程中采用了字符插入法和HEX校驗(yàn)。

表2  協(xié)議幀格式

1）成幀方式

協(xié)議幀使用“DLE  STX”作為起始符，使用“DLE ETX”作為終止符，并采用字符插入法保證通信信息的正確。字符插入法的實(shí)現(xiàn)方法為：發(fā)送方搜索起始符和終止符間每個(gè)字節(jié)信息，若為“DLE”，即在該字節(jié)信息后插入一個(gè)“DLE”。接收方接收信息后也要搜索整個(gè)幀，若查找到連續(xù)兩個(gè)“DLE”，即將后一個(gè) “DLE”刪除，還原成原信息內(nèi)容。

2）幀校驗(yàn)算法

協(xié)議幀采用HEX校驗(yàn)保證通信信息的正確。HEX校驗(yàn)的填充在字符插入之前實(shí)現(xiàn)，HEX校驗(yàn)的驗(yàn)證在插入字符刪除之后實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方法為：發(fā)送方計(jì)算起始符和終止符間待發(fā)送數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，然后將256與該校驗(yàn)和的差填充于“HEX校驗(yàn)”字節(jié)處。接收方計(jì)算起始符和終止符間包括HEX字節(jié)在內(nèi)的接收數(shù)據(jù)校驗(yàn)和，若為0，則校驗(yàn)通過(guò)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[5－7]

F020有8通道100Kbps、12位精度的ADC0以及8通道500Kbps、8位精度的ADC1?？紤]到系統(tǒng)靈活性，我們編程使得通道選擇，采樣時(shí)間，采樣周期，開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)由用戶在上位機(jī)上指定，然后以命令字傳給下位機(jī)，具體為：用兩個(gè)字節(jié)分別表示該通道是否被選中，每個(gè)字節(jié)位上為1表示該通道被選中，否則不被選中。用3個(gè)字節(jié)存放采樣周期，其最小單位為50微妙（即最大采樣速率為20K bps），5個(gè)字節(jié)存放采樣時(shí)間，一個(gè)字節(jié)用于開(kāi)關(guān)量的通斷狀態(tài)，為1則接通，反之為切斷。

3.1 下位機(jī)軟件

為減輕下位機(jī)的任務(wù)，其采集的原始數(shù)據(jù)直接送給上位機(jī)進(jìn)行處理，下位機(jī)的任務(wù)就是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并把所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB100傳給上位機(jī)，以保證下位機(jī)有高的采樣速率。下位機(jī)的工作流程見(jiàn)圖4。

3.1.1  下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)子程序

函數(shù): Send_AD_Result();

參數(shù): 無(wú)

功能: 將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果組成幀后,以幀格式發(fā)送給上位機(jī)

void Send_AD_Result (void){

if(txe==0){

wr="0";

for(i=0;i

wr="1";

PORT4=MyData[i];/*數(shù)據(jù)順序存放在內(nèi)存MyData中*/

wr="0";

}

}

}

3.1.2  下位機(jī)接收數(shù)據(jù)子程序

同理，當(dāng)MCU檢測(cè)到USB100 模塊RXF 為低時(shí)，表示內(nèi)部接收緩沖區(qū)有來(lái)自USB100端口的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)八位數(shù)據(jù)總線D0～D7 將數(shù)據(jù)讀出。

函數(shù): ReceiveData()

參數(shù): 無(wú)

功能: 查看PC端是否有數(shù)據(jù)送來(lái)，如有，則置收到數(shù)據(jù)標(biāo)志

void  ReceiveData (void){

rd="1";

if(rxf==0){/*數(shù)據(jù)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)*/

DataNumber+=0x01;//接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度加1

rd="0"; //讀操作，低電平有效

Receive_Data=PINB;//接收數(shù)據(jù)

rd="1";

}

3.2  上位機(jī)軟件

用戶在PC機(jī)上安裝USB100模塊驅(qū)動(dòng)程序之后，該USB100默認(rèn)成該P(yáng)C的一個(gè)虛擬串口，因此在上位機(jī)可以將它當(dāng)作一個(gè)串口進(jìn)行處理。上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)是用VB完成的，與下位機(jī)的通信使用串口控件MSComm。上位機(jī)的主要功能有：

1) 采樣通道以及開(kāi)關(guān)量的設(shè)置，輸入模擬量的選擇（電壓、電流，電阻），變換器輸出的單位選擇。

2) 對(duì)下位機(jī)傳來(lái)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)傳感器參數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的實(shí)際測(cè)量值。

3) 實(shí)時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示采樣曲線，并把所采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便能夠隨時(shí)查閱。

4) 對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，并將分析結(jié)果以曲線形式顯示在屏幕上。

4   結(jié)束語(yǔ)

我們采用USB100 專用模塊和C8051F020高速嵌入式MCU設(shè)計(jì)的測(cè)試儀，不僅滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集以及相應(yīng)的控制，而且方便與筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。我們?cè)谏衔粰C(jī)軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮到其通用性，根據(jù)實(shí)際需求選用不同的傳感器，在上位機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的選擇，就能得到所需的測(cè)量數(shù)據(jù)及曲線，因而該測(cè)試儀有較強(qiáng)的通用性。本測(cè)試儀經(jīng)過(guò)兩年多來(lái)的實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足用戶需求。

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