基于USB接口的多節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫系統

1 引言

溫度監測在土木建筑施工、儲糧倉庫、智能樓宇、空調系統以及其他工農業(yè)生產(chǎn)中有著(zhù)廣泛的應用。傳統的測溫方法是在各監測點(diǎn)布置溫度探頭，由專(zhuān)人每天定時(shí)采集各點(diǎn)的溫度數據，再輸入電腦保存，并生成溫度、應力的變化曲線(xiàn)和測試報告，也有一些是通過(guò)數據采集箱采集溫度和應力數據，然后通過(guò)電纜上傳電腦做進(jìn)一步的數據處理。

傳統的測量方法需要監測人員頻繁來(lái)往于施工現場(chǎng)，勞動(dòng)強度大，數據采集和傳輸不方便，信息管理的自動(dòng)化程度低，難于滿(mǎn)足現代信息化監測的要求。為了提高測溫數據采集的準確性、可靠性、及時(shí)性，同時(shí)實(shí)現溫度和應力數據的智能化、信息化管理，本文針對大規模建筑施工監測等工程應用的要求，設計了一種基于無(wú)線(xiàn)數據傳輸和USB接口的多節點(diǎn)遠程溫度監測系統。

通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸，一方面拓展了節點(diǎn)分機布置的空間范圍，另一方面大大縮短了測溫電纜的長(cháng)度以方便布線(xiàn)。USB接口實(shí)現了將各節點(diǎn)分機的測溫數據向主機的快速傳輸，取代了傳統的RS 232等接口形式，大大方便了與主機的連接。主機軟件完成數據的轉換、存儲、曲線(xiàn)和報表生成，實(shí)現混施工監測的信息化管理，也可以構建一個(gè)Web服務(wù)器，實(shí)現信息的異地監測。

2 測溫系統的整體構造

測溫系統是由主機、通信機和測溫節點(diǎn)分機構成，整體框圖如圖1所示。

其中溫度信號通過(guò)埋植在現場(chǎng)的傳感器傳輸到節點(diǎn)分機，節點(diǎn)分機內部集成了調理電路和信號采集模塊，以及由微處理器控制的存儲模塊和通信模塊，一個(gè)節點(diǎn)分機最多可以處理64路溫度信號，測溫分機以主機設定的時(shí)間間隔通過(guò)無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)方式經(jīng)通信機向主機傳送數據，其中通信機采用了支持USB 2.0標準的微控制器C8051F320，使傳輸的數據通過(guò)USB傳送到主機，PC機在軟件支持下對數據進(jìn)行處理并以報表以及曲線(xiàn)圖表示出來(lái)。同時(shí)，主機也可以設定分機的數據采集間隔，監測的部位，系統時(shí)間等參數。

3 USB接口在測溫系統中的應用

為了把測溫數據傳送到主機，傳統的方法是利用RS 232或RS 485總線(xiàn)與主機通信。但由于這些接口傳輸速度慢，近年來(lái)，逐步被USB接口所取代。目前USB成為PC機的標準接口已經(jīng)是大勢所趨，在主機(host)端，目前推出的PC機幾乎100％支持USB。鑒于此，本文采用CYGNAL公司的支持全速USB 2.0的微控制器C8051F320。該單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC)，具有與C8051完全兼容的CIP51內核，與MSC-51指令集完全兼容。片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬、數字外設及其他功能部件；內置FLASH程序存儲器、內部RAM以及外部數據存儲器RAM。微控制器C8051F320帶有USB接口，其功能控制模塊符合USB 2.0規范，可在全速或低速下運行，并具有1 kB USB緩存、集成收發(fā)器，無(wú)需外部電阻。Silicon lab公司提供了USBXpress的開(kāi)發(fā)套件。通過(guò)使用USBXpress庫，大大簡(jiǎn)化了USB固件程序和PC端驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。其中USB通信總體框圖如2所示。USBXpress通過(guò)一系列函數實(shí)現單片機端的應用程序接口(API)。當主機需要數據時(shí)，可將測溫節點(diǎn)分機數據通過(guò)通信機傳輸到主機中，應用程序對數據進(jìn)行波形顯示和數據分析處理。

4 USB通信

本系統的USB外設為非符合HID標準的設備，因此要使主機與通信機順利傳輸數據，需要編寫(xiě)三部分的程序：設備端的固件程序、主機上的設備驅動(dòng)程序以及客戶(hù)應用程序。

4.1 固件程序設計

采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，USB固件程序程序由3部分組成：

(1)初始化單片機和所有的外圍電路；包括USB控制器的初始化、端點(diǎn)初始化、交叉開(kāi)關(guān)和I／O口初始化、系統時(shí)鐘設置，控制器使能；

(2)主循環(huán)部分，其任務(wù)是可以中斷的；

(3)中斷服務(wù)程序，其任務(wù)是對時(shí)間敏感的，必須馬上執行。如圖3所示。