基于CH375多通道USB接口與PC機通信的實(shí)現

正離子靜電加速器在運轉過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生能量較高的γpX和快中子等多種放射性輻射，對周?chē)沫h(huán)境造成污染，對生命造成危害^[1]。由于其體積龐大，輻射范圍廣，需設計一個(gè)多探測端的多通道同步核輻射監測系統，針對加速器周?chē)h(huán)境進(jìn)行輻射防護監測。每個(gè)探測端屬于一個(gè)探測通道，它們相互獨立。各通道將采集到的數據傳輸給上位機（主控計算機）。上位機進(jìn)行數據處理并顯示各個(gè)探測端的輻射強度及吸收劑量。

若采用串口（RS232）實(shí)現多通道傳輸，各通道每次向上位機傳輸的數據容量大（16K），而串口傳輸速度慢，花費的時(shí)間長(cháng)。在通信過(guò)程中，相應通道進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，不能夠再采集新的信號，更加嚴重地影響了系統的探測效率。于是就采用CH375構成的USB接口進(jìn)行數據傳輸。速率可提高到1Mbit/s以上。同時(shí)USB所具有的即插即用、通用性強、易擴展、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)^[2,3]也極大地改善了接口的使用性能。

1 CH375模塊^[4]簡(jiǎn)介

USB模塊CH375是一個(gè)USB總線(xiàn)的通用設備接口芯片，用戶(hù)無(wú)需編寫(xiě)驅動(dòng)程序，內置有USB通訊中的底層協(xié)議，完全滿(mǎn)足USB1.1標準。具有8位數據總線(xiàn)（D0～D7）、地址輸入（A0）、讀（RD#）、 寫(xiě)（WR#）、片選控制線(xiàn)（CS#）以及中斷輸出（INT#），可以方便地掛接到單片機的數據總線(xiàn)上。當A0為低電平時(shí)選擇數據端口，單片機通過(guò)8位并口對CH375進(jìn)行讀寫(xiě)數據；為高電平時(shí)選擇命令端口，可以向其寫(xiě)入命令。

在本地端，單片機對CH375的操作是采用命令加數據的I/O操作方式，任何操作都是先發(fā)命令（其命令格式參考文獻3）給CH375，然后執行數據輸入輸出。CH375接收到上位機發(fā)送的數據或者發(fā)送完給上位機的數據后，以中斷方式通知單片機。

將CH375芯片的驅動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫拷貝到上位機中，利用CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL提供的API函數對其進(jìn)行操作，對USB設備的通信就幾乎和訪(fǎng)問(wèn)本地硬盤(pán)中的文件差不多了。

2 具有多個(gè)USB接口的多通道數據采集系統

圖1是加速器的核輻射監測系統。是個(gè)具有多個(gè)USB接口的多通道數據采集系統。該系統可安裝連接多個(gè)探測端（最多128個(gè)）。監測不同的放射性輻射時(shí)，裝配相應的探測器。每個(gè)探測通道的工作原理及電子線(xiàn)路都相同，分別連接到USB擴展卡上。多道分析器采用高性能AVR單片機ATmega128作為控制器。ATmega128運用Harvard結構概念，具有預取指令功能，機器周期為1個(gè)時(shí)鐘周期，絕大多數指令為單周期指令，工作頻率為16MHz時(shí)可達到16MIPS的性能^[5]。用其控制高速模數轉換電路，把探測器輸出的模擬量轉換成計算機可接收的數字量，進(jìn)行存儲，等待上位機的讀取。

圖1加速器多通道核輻射監測系統結構圖

單一探測通道，用CH375構成的USB接口電路原理如圖2所示。各通道接收到上位機發(fā)出讀取數據命令后，由ATmega128控制將所有探測數據通過(guò)USB接口電路傳輸給上位機。

圖2 CH375構成的USB接口電路原理圖

3 多個(gè)通道USB接口的軟件設計

各通道的USB模塊CH375在計算機應用層與其本地端單片機ATmega128之間提供了端對端的連接。統一采用數據加應答方式進(jìn)行通信，所有的通信都由計算機應用層發(fā)起，然后以接收到單片機的應答結束。單一通道完整的通信過(guò)程包括：

① 計算機應用層按事先約定的格式將數據請求發(fā)送給CH375；

② CH375以中斷方式通知單片機。

③ 單片機進(jìn)入中斷服務(wù)程序，獲取CH375的中斷狀態(tài)并分析；

④ 如果是上傳（上傳緩沖區的數據被計算機成功讀?。?，則釋放當前USB緩沖區，然后退出中斷程序；

⑤ 如果是下傳（下傳緩沖區成功接收到計算機發(fā)送的數據），則從數據下傳緩沖區讀取數據塊；

⑥ 分析接收到的數據塊，如果是數據請求上傳命令，準備應答數據（采集數據）；

⑦ 單片機將采集數據寫(xiě)入數據上傳緩沖區中，然后退出中斷程序；

⑧ CH375將采集數據返回給計算機；

⑨ 計算機應用層接收到應答數據，傳輸結束；

該通訊方式具有數據自動(dòng)同步、程序設計簡(jiǎn)單、較好的交互性和可控性等優(yōu)點(diǎn)。計算機定時(shí)以此方式順次訪(fǎng)問(wèn)各通道，獲取各通道采集到的數據。

3.1 單片機端的程序設計

各通道單片機端程序設計相同。ATmega128中斷1（INT1）作為USB的中斷入口（參考圖2），采用數據加應答方式，其中斷1服務(wù)處理程序設計流程圖如圖3所示。

圖3 單片機端ATmega128中斷服務(wù)處理程序流程圖

采用C語(yǔ)言編程，編寫(xiě)單片機端ATmega128中斷1服務(wù)處理程序的基本框架如下所示：

void int1_isr (void) //USB中斷入口程序

{

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS)； //向CH375發(fā)送中斷狀態(tài)獲取命令

InterruptStatus = CH375_RD_DAT_PORT()；//獲取中斷狀態(tài)，并通知CH375取消中斷請求

// 分析中斷狀態(tài)，并做相應處理

if ( InterruptStatus= =USB_INT_EP2_OUT) // 數據下傳

{

CH375_WR_CMD_PORT( CMD_RD_USB_DATA )；// 向CH375發(fā)送讀數據命令

RD_Data =CH375_RD_DAT_PORT( )；//從CH375下傳緩沖區讀取數據塊

……… //分析接收到的數據塊

CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA7)； // 向CH375發(fā)送寫(xiě)數據命令

CH375_WR_DAT_PORT( DATA)；// 將采集數據DATA寫(xiě)入CH375數據上傳緩沖區

return；

}

If(InterruptStatus= = USB_INT_EP2_IN) // 數據上傳

{

CH375_WR_CMD_PORT( CMD_UNLOCK_USB )；// 釋放當前USB緩沖區

return；

}

}

3.2 計算機端的程序設計

采用Visual C++作為計算機端應用軟件的開(kāi)發(fā)平臺，以實(shí)現兩通道USB數據傳輸為例，計算機端程序設計流程圖如圖4所示。USB設備1即指通道1；USB設備2即指通道2。

圖4 計算機端兩通道USB數據傳輸程序設計流程圖

利用MFC（微軟基礎類(lèi)）定時(shí)器函數^[6]，計算機定時(shí)順序訪(fǎng)問(wèn)兩通道，獲取采集數據。編寫(xiě)計算機端定時(shí)中斷處理程序的基本框架如下所示：

OnTimer(UINT nIDEvent) //定時(shí)函數入口

{

if (CH375OpenDevice(0 )= =INVALID_HANDLE_VALUE) // 打開(kāi)USB設備1（通道1 USB模塊CH375），返回句柄，出錯無(wú)效

………

if (CH375OpenDevice(1 )= =INVALID_HANDLE_VALUE) //打開(kāi)USB設備2

………

if ( CH375WriteData( 0, WriteBuf, length) ) //發(fā)送數據請求命令給USB設備1，成功發(fā)送后返回真。WriteBuf指向放置準備寫(xiě)出數據的緩沖區。Length指向長(cháng)度單元，輸入時(shí)為準備寫(xiě)出的長(cháng)度，返回后為實(shí)際寫(xiě)出的長(cháng)度。

………

if ( CH375ReadData( 0, ReadBuf, length) ) //從USB設備1讀取采集數據，成功讀取后返回真。ReadBuf為指向用于保存讀取數據的緩沖區。Length指向長(cháng)度單元，輸入時(shí)為準備讀取得長(cháng)度，返回后為實(shí)際讀取得長(cháng)度。

………

CH375CloseDevice( 0 )； //關(guān)閉USB設備1

if ( CH375WriteData( 1, WriteBuf, length) ) //發(fā)送數據請求命令給USB設備2

………

if ( CH375ReadData( 1, ReadBuf, length) ) //從USB設備2讀取采集數據

………

CH375CloseDevice( 1 )； //關(guān)閉USB設備2

}

4 結束語(yǔ)

采用CH375進(jìn)行USB數據傳輸速率高，達到1Mbit/s以上。而且無(wú)需編寫(xiě)復雜的USB驅動(dòng)程序，利用其動(dòng)態(tài)鏈接庫即可實(shí)現多通道USB接口與PC機通信。研發(fā)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，可以使數據傳輸系統非常方便的從RS232總線(xiàn)轉向USB總線(xiàn)，彌補其速度慢的缺點(diǎn)，進(jìn)行系統升級。并且USB所具有的各種優(yōu)越性能，也必將使這種接口電路在數據傳輸中得到更廣泛的應用。

參考文獻
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