USB技術(shù)在現場(chǎng)校驗儀中的應用

討論通用串行總線(xiàn)(USB)技術(shù)應用于便攜式電能表現場(chǎng)校驗儀的可行性，并介紹了系統的硬件、固件、設備驅動(dòng)程序以及應用程序的設計方法，最后給出了其性能測試結果。

現在市場(chǎng)上的同類(lèi)產(chǎn)品多采用RS-232方式通訊，但這種產(chǎn)品已漸露弊端。首先，RS-232在當前微機規范中逐漸隱退。第二，現場(chǎng)校驗產(chǎn)品已經(jīng)朝著(zhù)多功能的方向發(fā)展。已不單一的檢查表誤差，許多CT/PT負荷、二次壓降、諧波分析、波形圖、負荷曲線(xiàn)等功能都已經(jīng)整合到現場(chǎng)校驗產(chǎn)品當中。功能的增加意味著(zhù)存儲數據的急劇膨脹，而RS-232低的傳輸速率和難以保證通訊可靠性的特點(diǎn)決定了它不再是一個(gè)合適的解決方案。第三，采用RS-232方式的現校儀在和PC通訊的時(shí)候必須外加電源。

經(jīng)過(guò)比較論證發(fā)現，USB作為近年出現的一種代表微機接口發(fā)展方向的新型總線(xiàn)規范，其便捷易用、速度快、可靠性高等特點(diǎn)，使之非常適合作為現校儀的接口。目前大多數臺式計算機都具有四個(gè)以上的USB端口，筆記本電腦也都有兩個(gè)以下的USB端口，USB規范規定每個(gè)端口提供5V、500mA的電量也恰好可以提供給現校儀而無(wú)須增加外接電源.

USB本身的控制協(xié)議較為復雜，需要使用相應的USB接口芯片。本設計采用了Philips公司的PDIUSBD12(簡(jiǎn)稱(chēng)D12)，其優(yōu)點(diǎn)是可以選擇合適的微控制器及其開(kāi)發(fā)系統進(jìn)行外設開(kāi)發(fā)。

D12內部集成了串行輸入引擎(SIE)、320字節的多結構FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調整器，支持DMA方式，采用雙緩沖區技術(shù)，遵從USB1.1標準。芯片中串行輸入引擎(SIE)模塊起著(zhù)至關(guān)重要的作用，完成所有USB協(xié)議層功能，如同步模式識別、并/串轉換、位填充/解填充、CRC檢驗/產(chǎn)生、包PID產(chǎn)生/確認、地址識別、握手信號包響應產(chǎn)生等。另外，D12還集成了SoftConnect、GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性，提高了系統的性?xún)r(jià)比。

1.1引腳功能

PDIUSBD12的引腳排列如圖1所示，功能如下：

VCC：接+5V電源；GND：接地；如要使器件工作在3.3V，則VCC、Vout3.3都為3.3V。DATA〈0〉～DATA〈7〉：雙向數據總線(xiàn)。ALE：地址鎖存使能。在多路地址數據總線(xiàn)中，下降沿關(guān)閉地址鎖存；在單地址/數據總線(xiàn)配置中接地。CSN：片選端，低電平有效。SUSPEND：器件處于掛起狀態(tài)，高電平有效。CLKOUT：可編程時(shí)鐘輸出。INTN：中斷輸出，低電平有效。RDN、WRN：讀/寫(xiě)使能。DMREQ：DMA請求。DMACKN：DMA應答，低電平有效。EOTN：DMA傳輸結束，低電平有效；EOTN僅當DMACKN和WRN或RDN一起激活時(shí)才有效。RESETN:復位端，低電平有效；使用片內復位電路時(shí)接高電平。GLN：Goodlink LED指示器，低電平有效。XTAL1、XTAL2：晶振連接端，可采用外部時(shí)鐘信號代替晶振。D+、D-：USB數據線(xiàn)。A0：A0=1選擇命令指令，A0=0選擇數據；該位在多路地址/數據總線(xiàn)配置時(shí)可接高電平。

1.2命令匯總

PDIUSBD12芯片中集成了串行輸入引擎(SIE)模塊，它完成所有USB協(xié)議層的功能、大大簡(jiǎn)化了USB的固件開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)人員只需使用D12提供的命令即可。D12命令如1表所示。

思達公司生產(chǎn)的電能表現場(chǎng)校驗儀中使用P89C51RD2作為主控制器。P89C51RD2是Philips公司生產(chǎn)的51增強型的CPU，它除具備標準51的功能外，在片內集成了64KB FLASH和1KB RAM，可以在20MHz外頻下以每機器周期為6個(gè)時(shí)鐘周期的速度運行。P89C51RD2與PDIUSBD12的接口方法見(jiàn)圖1。

由圖可知P89C51RD2通過(guò)IO口同D12的片選、地址位信號相連，外部中斷響應來(lái)自D12的中斷請求，D12的操作地址可以任意指定。

所謂固件程序就是固化在程序存儲器中的程序代碼。本系統存儲在P89C51RD2的Flash存儲器中，固件開(kāi)發(fā)使用Keil C51語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)平臺為μVision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

本設計參考了Philips公司提供的D12固件程序范例，對USB協(xié)議操作的相關(guān)代碼直接移植使用，而數據采集、傳輸、存儲等部分則自主開(kāi)發(fā)。

固件程序結構如圖2所示。硬件抽象層對D12的數據讀、寫(xiě)以及各種指令的寫(xiě)入進(jìn)行函數封裝；D12命令接口層對D12的所有控制指令的函數進(jìn)行封裝；USB向量請求模塊完成USB上電配置、向量請求等各類(lèi)事件的響應處理；USB協(xié)議層包括對USB協(xié)議操作的封裝以及對USB標準請求的響應；中斷服務(wù)進(jìn)程包括USB中斷、ADC中斷等。

當D12有事件需要處理時(shí)，將觸發(fā)微控制器外部中斷0，微控制器讀取D12的中斷狀態(tài)寄存器，判斷中斷的來(lái)源并作出相應的處理。若由數據端點(diǎn)觸發(fā)，則相應地讀取或寫(xiě)入數據；若由控制端點(diǎn)0觸發(fā)，則判斷請求的類(lèi)型。標準請求由USB協(xié)議處理模塊處理，用戶(hù)自定義向量請求由USB向量請求模塊處理。

在Windows環(huán)境下，USB設備驅動(dòng)程序遵循WDM(Win32 Driver Mode)方式。為了簡(jiǎn)化設計，并兼顧驅動(dòng)程序的運行效率，筆者選用了DriverStudio2.7工具軟件中的DriverWorks組件進(jìn)行USB設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。DriverWorks為WDM設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)提供了完善的支持。其中包含一個(gè)非常完善的源代碼生成工具DriverWizard以及相應的類(lèi)庫和驅動(dòng)程序范例，它還支持在C++下進(jìn)行設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。通過(guò)DriverWizard生成的代碼只需要進(jìn)行少量的修改就可以使用，這使得驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)者可以將精力集中在驅動(dòng)功能的實(shí)現上，而不必理會(huì )太多的WDM開(kāi)發(fā)細節。

本設計在DriverWizard的最后自定義了四個(gè)IOCTL接口對USB設備進(jìn)行控制，如表2所示。然后在自動(dòng)生成的驅動(dòng)程序代碼中向相應的IOCTL函數添加代碼，用函數BuildVerdorRequest構建USB協(xié)議的自定義向量請求(Vendor Request)。由編譯修改后的源代碼即可得到驅動(dòng)程序文件McaD12.SYS。

我們已成功地將USB技術(shù)應用在一款現場(chǎng)校驗產(chǎn)品上。測試儀器通過(guò)USB向PC傳輸的速率達到12～14kbyte/s。經(jīng)過(guò)長(cháng)期測試知，該通訊方式傳輸率高、容錯性強，方便使用，整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程獲得了成功，并具有一定的創(chuàng )新性。對本系統編譯稍加修改便可應用于其他基于微機的數據采集、自動(dòng)化測控系統中。