基于USB接口的通用测试仪的设计与实现

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0  引言

在许多工业控制和数据采集系统中,为了实现系统的小型化和便携化,通常采用上下位机形式的主从式结构。由于MCU(微控制器)成本低,编程灵活、方便,实时性强,且具有一定的智能,因而通常使用它作为下位机的主控芯片,负责对现场数据的采集与传输,并控制相应的执行机构。上位机一般使用普通的PC机、笔记本电脑或工控机,负责对下位机传来的数据进行分析处理, 并根据处理结果控制下位机的操作。上下位机之间的数据通信接口目前一般使用RS-232和USB总线接口标准,相对于RS-232,USB 具有高速传输、热插拔、即插即用等优点。在本系统中,为了保证下位机高速采样数据能及时传送给上位机进行分析处理,我们采用USB总线来实现上下位机的数据传输。

1  系统的硬件构成

系统主要由PC机,高性能C8051F020微控制器(MCU),USB接口插头,USB100模块。图1是其系统构成框图。

1.1 C8051F020微控制器[1]

我们选择美国Silicon公司的微控制器(MCU)C8051F020(简称F020)作为数据采集系统的CPU。F020是一种混合信号SOC型8位单片机,它有一个8通道的、转换速率为100Kbps的12位ADC,以及一个8通道的、转换速率为500Kbps的8位ADC;2个12位DAC;64KB FlashRom,4KBRAM;有22个中断源和5个定时器/计数器。该MCU属于C8051FXXX系列中的F02x子系列,其性能价格比在目前应用领域极具竞争力,它具有以下主要特点:1)芯片采用高速流水线结构;2)先进的JTAG调试接口;3)可靠的安全机制可利用JTAG编程加密芯片;4)强大的控制功能。有多达64个I/O线,有独特数字交叉开关(digital crossbar),允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚;5)有多达22个中断源。

基于USB接口的通用测试仪的设计与实现

1.2  USB100[2-3]

USB100内部封装了USB1.1的全部协议,并带有384字节的发送缓冲区和128字节的接收缓冲区,8位并行数据接口。对USB的操作编程类似对外部存储器的操作,由于该模块完成了全部USB协议的转换和封装,使得对USB的开发和应用过程变得非常简单,用户只要在PC机上安装USB100模块驱动程序以后,对其编程可以按照与串口完全一样的方法来完成。USB100主要的管脚及功能如表1所示(未列出的管脚为空脚)。

表1 USB管脚功能和定义

USB管脚功能和定义

如图2所示,当检测到USB100模块TXE为低时,表示内部发送缓冲区允许发送数据,可以将数据通过8位数据总线D0~D7发送给USB100模块,发送数据锁存由WR控制(边沿触发);当TXE为高时,禁止发送数据。

如图3所示,当检测到USB100模块RXF为低时,表示内部接收缓冲区有来自USB端口的数据可通过8位数据线将数据读入,接收数据锁存器由RD控制(边沿触发)。

数据发送时序

数据接收时序

USB100模块的数据线D0~D7与F020的P4端口相连,P2.4~P2.7分别与USB100模块的TXE、RXF、WR、RD相连。

2 系统通信的设计[4-6]

动态测试仪的任务主要是进行数据采集和定时/计数,并将这些数据传给上位机进行数据处理,这就要求上下位机之间的通信有清晰、准确的通信协议,来保证数据通信能够有条不紊地进行。

为了满足上、下位机软件的可扩展性和通用性,通信协议采用数据帧的形式传输信息。协议帧格式见表2,它由起始符、长度码、帧信息、帧校验和终止符组成,成帧过程中采用了字符插入法和HEX校验。

表2  协议帧格式

协议帧格式

1)成帧方式

协议帧使用“DLE  STX”作为起始符,使用“DLE ETX”作为终止符,并采用字符插入法保证通信信息的正确。字符插入法的实现方法为:发送方搜索起始符和终止符间每个字节信息,若为“DLE”,即在该字节信息后插入一个“DLE”。接收方接收信息后也要搜索整个帧,若查找到连续两个“DLE”,即将后一个 “DLE”删除,还原成原信息内容。

2)帧校验算法

协议帧采用HEX校验保证通信信息的正确。HEX校验的填充在字符插入之前实现,HEX校验的验证在插入字符删除之后实现。实现方法为:发送方计算起始符和终止符间待发送数据的校验和,然后将256与该校验和的差填充于“HEX校验”字节处。接收方计算起始符和终止符间包括HEX字节在内的接收数据校验和,若为0,则校验通过。

3 系统软件设计[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。考虑到系统灵活性,我们编程使得通道选择,采样时间,采样周期,开关量的状态由用户在上位机上指定,然后以命令字传给下位机,具体为:用两个字节分别表示该通道是否被选中,每个字节位上为1表示该通道被选中,否则不被选中。用3个字节存放采样周期,其最小单位为50微妙(即最大采样速率为20K bps),5个字节存放采样时间,一个字节用于开关量的通断状态,为1则接通,反之为切断。

3.1 下位机软件

为减轻下位机的任务,其采集的原始数据直接送给上位机进行处理,下位机的任务就是进行数据采集,并把所采集的数据通过USB100传给上位机,以保证下位机有高的采样速率。下位机的工作流程见图4。

3.1.1  下位机发送数据子程序

函数: Send_AD_Result();

参数: 无

功能: 将AD转换结果组成帧后,以帧格式发送给上位机

void Send_AD_Result (void){

if(txe==0){

wr=0;

for(i=0;i

wr=1;

PORT4=MyData[i];/*数据顺序存放在内存MyData中*/

wr=0;

}

}

}

下机位工作流程图

3.1.2  下位机接收数据子程序

同理,当MCU检测到USB100 模块RXF 为低时,表示内部接收缓冲区有来自USB100端口的数据,可以通过八位数据总线D0~D7 将数据读出。

函数: ReceiveData()

参数: 无

功能: 查看PC端是否有数据送来,如有,则置收到数据标志

void  ReceiveData (void){

rd=1;

if(rxf==0){/*数据缓冲区有数据*/

DataNumber+=0x01;//接收数据长度加1

rd=0; //读操作,低电平有效

Receive_Data=PINB;//接收数据

rd=1;

}

3.2  上位机软件

用户在PC机上安装USB100模块驱动程序之后,该USB100默认成该PC的一个虚拟串口,因此在上位机可以将它当作一个串口进行处理。上位机软件开发是用VB完成的,与下位机的通信使用串口控件MSComm。上位机的主要功能有:

1) 采样通道以及开关量的设置,输入模拟量的选择(电压、电流,电阻),变换器输出的单位选择。

2) 对下位机传来的原始数据进行处理,并根据传感器参数转换为对应的实际测量值。

3) 实时在计算机屏幕上显示采样曲线,并把所采集的数据存入数据库,以便能够随时查阅。

4) 对采集的数据进行频谱分析,并将分析结果以曲线形式显示在屏幕上。

4   结束语

我们采用USB100 专用模块和C8051F020高速嵌入式MCU设计的测试仪,不仅满足现场数据采集以及相应的控制,而且方便与笔记本电脑或台式机构建虚拟仪器系统。我们在上位机软件设计时考虑到其通用性,根据实际需求选用不同的传感器,在上位机上进行相应的选择,就能得到所需的测量数据及曲线,因而该测试仪有较强的通用性。本测试仪经过两年多来的实际运行,系统运行稳定可靠,满足用户需求。

参考文献:

[1] 潘琢金,施国君. C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用. 北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[2] 迅通科技.  USB100数据手册[M]. 哈尔滨:迅通科技有限公,2002.

[3] 冯国飞,宋蕴兴. 基于USB数据采集卡的设计与实现[J]. 微计算机信息,2005.11:75-76

[4] 张厚武,姚凯学. 基于C8051F020微控制器的动态测试仪的设计[J]. 机械与电子,2006(8):12-14.

[5] 陈建平,姚凯学,等. 通用动态测试系统的设计与实现. 贵州大学学报(自然科学版), 2004,21(1):79-82.

[6] 谢瑞和.串行技术大全.北京:清华大学出版社,2003.4

[7] 郑阿奇,曹戈.Visual Basic实用教程 北京:电子工业出版社,2003.

   来源:无忧电子开发网
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