引言
在許多工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和便攜化，通常采用上下位機形式的主從式結構。
由于MCU（微控制器）成本低，編程靈活、方便，實時性強，且具有一定的智能，因而通常使用它作為下位機的主控芯片，負責對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與傳輸，并控制相應的執(zhí)行機構。上位機一般使用普通的PC機、筆記本電腦或工控機，負責對下位機傳來的數(shù)據(jù)進行分析處理, 并根據(jù)處理結果控制下位機的操作。上下位機之間的數(shù)據(jù)通信接口目前一般使用RS-232和USB總線接口標準，相對于RS-232，USB 具有高速傳輸、熱插拔、即插即用等優(yōu)點。在本系統(tǒng)中，為了保證下位機高速采樣數(shù)據(jù)能及時傳送給上位機進行分析處理，我們采用USB總線來實現(xiàn)上下位機的數(shù)據(jù)傳輸。
1 系統(tǒng)的硬件構成
系統(tǒng)主要由PC機，高性能C8051F020微控制器(MCU),USB接口插頭，USB100模塊。圖1是其系統(tǒng)構成框圖。
1.1 C8051F020微控制器[1]
我們選擇美國Silicon公司的微控制器（MCU）C8051F020（簡稱F020）作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的CPU。F020是一種混合信號SOC型8位單片機，它有一個8通道的、轉換速率為100Kbps的12位ADC，以及一個8通道的、轉換速率為500Kbps的8位ADC；2個12位DAC；64KB FlashRom,4KBRAM；有22個中斷源和5個定時器/計數(shù)器。該MCU屬于C8051FXXX系列中的F02x子系列,其性能價格比在目前應用領域極具競爭力，它具有以下主要特點：1）芯片采用高速流水線結構；2）先進的JTAG調試接口；3）可靠的安全機制可利用JTAG編程加密芯片；4）強大的控制功能。有多達64個I/O線，有獨特數(shù)字交叉開關(digital crossbar)，允許將內部數(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22個中斷源。
1.2 USB100[2-3]
USB100內部封裝了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USB的操作編程類似對外部存儲器的操作，由于該模塊完成了全部USB協(xié)議的轉換和封裝，使得對USB的開發(fā)和應用過程變得非常簡單，用戶只要在PC機上安裝USB100模塊驅動程序以后，對其編程可以按照與串口完全一樣的方法來完成。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，當檢測到USB100模塊TXE為低時，表示內部發(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TXE為高時，禁止發(fā)送數(shù)據(jù)。
如圖3所示，當檢測到USB100模塊RXF為低時，表示內部接收緩沖區(qū)有來自USB端口的數(shù)據(jù)可通過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)通信的設計[4－6]
動態(tài)測試儀的任務主要是進行數(shù)據(jù)采集和定時/計數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)傳給上位機進行數(shù)據(jù)處理，這就要求上下位機之間的通信有清晰、準確的通信協(xié)議，來保證數(shù)據(jù)通信能夠有條不紊地進行。
為了滿足上、下位機軟件的可擴展性和通用性，通信協(xié)議采用數(shù)據(jù)幀的形式傳輸信息。協(xié)議幀格式見表2，它由起始符、長度碼、幀信息、幀校驗和終止符組成，成幀過程中采用了字符插入法和HEX校驗。
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。字符插入法的實現(xiàn)方法為：發(fā)送方搜索起始符和終止符間每個字節(jié)信息，若為“DLE”，即在該字節(jié)信息后插入一個“DLE”。接收方接收信息后也要搜索整個幀，若查找到連續(xù)兩個“DLE”，即將后一個 “DLE”刪除，還原成原信息內容。
2）幀校驗算法
協(xié)議幀采用HEX校驗保證通信信息的正確。HEX校驗的填充在字符插入之前實現(xiàn)，HEX校驗的驗證在插入字符刪除之后實現(xiàn)。實現(xiàn)方法為：發(fā)送方計算起始符和終止符間待發(fā)送數(shù)據(jù)的校驗和，然后將256與該校驗和的差填充于“HEX校驗”字節(jié)處。接收方計算起始符和終止符間包括HEX字節(jié)在內的接收數(shù)據(jù)校驗和，若為0，則校驗通過。
3 系統(tǒng)軟件設計[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，采樣時間，采樣周期，開關量的狀態(tài)由用戶在上位機上指定，然后以命令字傳給下位機，具體為：用兩個字節(jié)分別表示該通道是否被選中，每個字節(jié)位上為1表示該通道被選中，否則不被選中。用3個字節(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個字節(jié)存放采樣時間，一個字節(jié)用于開關量的通斷狀態(tài)，為1則接通，反之為切斷。
3.1 下位機軟件
為減輕下位機的任務，其采集的原始數(shù)據(jù)直接送給上位機進行處理，下位機的任務就是進行數(shù)據(jù)采集，并把所采集的數(shù)據(jù)通過USB100傳給上位機，以保證下位機有高的采樣速率。下位機的工作流程見圖4。
3.1.1 下位機發(fā)送數(shù)據(jù)子程序
函數(shù): Send_AD_Result();
參數(shù): 無
功能: 將AD轉換結果組成幀后,以幀格式發(fā)送給上位機
void Send_AD_Result (void){
if(txe==0){
wr="0";
for(i=0;i
wr="1";
PORT4=MyData[i];/*數(shù)據(jù)順序存放在內存MyData中*/
wr="0";
}
}
}
3.1.2 下位機接收數(shù)據(jù)子程序
同理，當MCU檢測到USB100 模塊RXF 為低時，表示內部接收緩沖區(qū)有來自USB100端口的數(shù)據(jù)，可以通過八位數(shù)據(jù)總線D0～D7 將數(shù)據(jù)讀出。
函數(shù): ReceiveData()
參數(shù): 無
功能: 查看PC端是否有數(shù)據(jù)送來，如有，則置收到數(shù)據(jù)標志
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 上位機軟件
用戶在PC機上安裝USB100模塊驅動程序之后，該USB100默認成該PC的一個虛擬串口，因此在上位機可以將它當作一個串口進行處理。上位機軟件開發(fā)是用VB完成的，與下位機的通信使用串口控件MSComm。上位機的主要功能有：
1) 采樣通道以及開關量的設置，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) 對下位機傳來的原始數(shù)據(jù)進行處理，并根據(jù)傳感器參數(shù)轉換為對應的實際測量值。
3) 實時在計算機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，以便能夠隨時查閱。
4) 對采集的數(shù)據(jù)進行頻譜分析，并將分析結果以曲線形式顯示在屏幕上。
4 結束語
我們采用USB100 專用模塊和C8051F020高速嵌入式MCU設計的測試儀，不僅滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集以及相應的控制，而且方便與筆記本電腦或臺式機構建虛擬儀器系統(tǒng)。我們在上位機軟件設計時考慮到其通用性，根據(jù)實際需求選用不同的傳感器，在上位機上進行相應的選擇，就能得到所需的測量數(shù)據(jù)及曲線，因而該測試儀有較強的通用性。本測試儀經(jīng)過兩年多來的實際運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足用戶需求。
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[5] 陳建平,姚凱學,等. 通用動態(tài)測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn). 貴州大學學報(自然科學版), 2004,21(1):79-82.
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