USB接口技術(shù)在外置式采樣系統中的應用

一、前言：

中高速、高精度連續采樣系統由于采集的數據量大，通常將控制和數據通道部分做成板卡的形式，占用PC的一個(gè)ISA或PCI總線(xiàn)擴展槽，通過(guò)ISA或PCI總線(xiàn)的高速數據傳輸率（往往通過(guò)上述總線(xiàn)的DMA模式）實(shí)現PC與采樣系統的大容量數據交換。但是，這種內置式形式很容易受到PC機箱內高頻干擾的影響，降低系統的采樣精度和穩定性。如果能夠將整個(gè)系統做成外置式形式，不僅能夠提高系統的采樣精度和穩定性，還能增強系統的靈活性，同時(shí)還有利于系統的維護。

普通的外置式采樣系統一般通過(guò)RS-232C與PC連接，由于PC機的限制，RS-232C最高數據傳輸率不超過(guò)115KBPS（基于串口芯片16550，如基于8250，則最高僅有9600BPS），同時(shí)傳輸的距離也不會(huì )超過(guò)15米。對于中高速、高精度連續采樣系統，其每秒的數據傳輸量最小為（100kHz采樣率，10位采樣精度）：100K×10=1000K，若RS-232C以115KBPS與采樣系統交換數據，則需約1000K/115K=8.7s的傳輸時(shí)間，采樣系統與PC接口速度的瓶頸作用會(huì )導致一部分數據的丟失，失去連續采樣的意義。因此，提高PC與外置式采樣系統數據通道的流量是實(shí)現外置式中高速、高精度連續采樣系統的關(guān)鍵。隨著(zhù)計算機軟硬技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代通用串行總線(xiàn)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、能夠支持USB的系統軟件和使用USB接口的設備?，F在，586以上的PC機大多數都具有USB接口，微軟推出的WIN98操作系統也全面支持USB設備。USB設備受到人們的矚目，是由于USB不僅改變了以往串行總線(xiàn)低速的局面，同時(shí)還引入許多串行總線(xiàn)技術(shù)不具有的新特性。USB 1.1規范支持低速1.5Mb/s和高速24Mb/s的數據傳輸率。

USB總線(xiàn)控制協(xié)議要求在數據發(fā)送時(shí)含有3個(gè)描敘數據類(lèi)型、發(fā)送方向和終止標志、USB設備地址的數據包，因此，USB可通過(guò)菊花鏈的形式同時(shí)掛接多個(gè)USB設備。USB設備在發(fā)送數據時(shí)支持數據偵錯和糾錯功能，增強了數據傳輸的可靠性。USB還具有一些新的特性，如：共享性（一個(gè)物理設備可以使用許多不同的pipe）、實(shí)時(shí)性（可以實(shí)現和一個(gè)設備之間有效的實(shí)時(shí)通信）、動(dòng)態(tài)性（可以實(shí)現接口間的動(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的使用使基系統的建立和配置變得自動(dòng)并且快速）。

三、外置式采樣系統的硬軟件設計：

采用INTEL公司的8X930AX系列的USB控制器作為采樣系統的控制芯片，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。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設備。該芯片集成的USB接口符合USB 1.0標準，支持高速（12MBPS）和低速（1.5MBPS）的數據傳輸率，并可工作在同步和異步這兩種數據傳輸方式下。8X930AX除了增加了USB接口外，同時(shí)也在8XC251SX基礎上作了許多大的改進(jìn)，如1K的片上數據RAM，支持高達256K外部程序/數據存儲空間，片上ROM可最高達到8K容量，為采樣系統的開(kāi)發(fā)提供了許多便利之處。對熟悉MCS-51單片機系統的開(kāi)發(fā)人員可非常迅速掌握該芯片的程序設計工作。

傳感器部分可根據所采量的特點(diǎn)選擇設計，對于需長(cháng)距離傳輸的模擬量最好采用電流傳輸的方式，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(cháng)距離的傳輸，同時(shí)要注意傳輸線(xiàn)的屏蔽，以防傳輸過(guò)程的外界干擾。

本系統選用的是TI的TLV2548構成的A/D轉換板，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系列的單片機相比，只是增加了USB接口。所以，控制板的設計可參考普通MCS51單片機的設計。但由于單片機自身的局限性，它不能實(shí)現多條指令的并發(fā)機制，所以，當單片機系統完成采樣過(guò)程并存儲在有限容量的外部數據RAM中，一旦外部數據RAM滿(mǎn)，則單片機必須停止采樣的取數據過(guò)程，進(jìn)行數據的轉發(fā)，即轉向將存在外部數據RAM的數據傳輸給PC機保存并處理。因此，如果僅靠一個(gè)單片機系統是難以實(shí)現連續不間斷的數據采樣，這可以通過(guò)兩個(gè)單片機系統的協(xié)同處理來(lái)解決這個(gè)矛盾，如圖1所示。C1，C2是兩個(gè)單片機系統的協(xié)同工作控制線(xiàn)信號，當CPU1必須轉向數據的轉發(fā)時(shí)，可通過(guò)C1發(fā)出一個(gè)喚醒信號通知CPU2進(jìn)入數據采樣過(guò)程，利用高速的USB接口的數據傳輸，我們可以通過(guò)計算，在100KSPS的采樣率下，10位采樣精度的要求下，裝滿(mǎn)64K×8的外部RAM（如TMS28F512A-15）需時(shí)間（為便于存放，10位的采樣數據占用2個(gè)字節的存儲空間）：

64K×8/（100K×2×8）=0.32秒

采用USB接口高速模式（12MBPS）有效數據傳輸需時(shí)間：

64K×8/12M=0.042秒

加上數據傳輸進(jìn)為保證數據傳輸可靠性的冗余位，其上傳輸時(shí)間也遠小于0.32秒。所以，在CPU2載滿(mǎn)外部RAM，進(jìn)入數據轉發(fā)過(guò)程時(shí)（即處在采樣階段），CPU1早以完成了數據的轉發(fā)過(guò)程，也就不會(huì )出現爭搶USB通道的情況。同時(shí)，CPU2也能通過(guò)C2喚醒CPU1進(jìn)入新一輪的數據采樣過(guò)程，而轉入數據轉發(fā)過(guò)程，這樣，CPU1和CPU2依次采樣、數據轉發(fā)，從而實(shí)現連續不間斷的數據采樣。CPU1和CPU2能夠在高速采樣系統中協(xié)調工作，USB接口的高速的數據傳輸率是本系統得以實(shí)現的關(guān)鍵所在。同時(shí)，為保證整個(gè)系統的協(xié)調工作，不至于出現CPU1和CPU2爭搶數據通道的情況，必須保證作為雙機協(xié)調控制的C1，C2的可靠工作。

CPU2的軟件流程圖與CPU1類(lèi)似 ，只需按照響應被喚醒信號、進(jìn)行采樣流程、發(fā)喚醒CPU1信號、進(jìn)行數據轉發(fā)流程的次序重新組織功能模塊。PC機（即上位機）的控制模塊和數據處理模塊可根據設計的要求組織，數據的發(fā)送和接受可通過(guò)調用編制的PC機USB接口驅動(dòng)模塊與采樣系統交換數據。

四、結語(yǔ)：

采用USB接口的外置式中高速，高精度采樣系統很好的完成了我們的要求。使采樣設備具有移動(dòng)性，可自由掛接在具有USB接口的運行在WINDOWS98平臺下的PC機上。加上自己開(kāi)發(fā)的PC機通信軟件和DSP處理組件，能夠替代普通的數字示波器。另外，USB通用串行總線(xiàn)的優(yōu)異性能不止局限于數據傳輸率高，USB接口還支持同時(shí)掛接127個(gè)獨立的USB設備。因此，可實(shí)現多個(gè)USB接口的采樣系統同時(shí)掛接在一個(gè)PC機上，組成一個(gè)采樣系統網(wǎng)，完成多處的連續不間斷的模擬量的采集。如果在采樣系統網(wǎng)上配置我們需要的控制裝置，便可實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬量的監控系統。

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