USB在數據采集系統中的應用

2.2 軟件構成

Windows98 提供了多種USB設備的驅動(dòng)程序，但好象還沒(méi)有一種是專(zhuān)門(mén)針對數據采集系統的，所以必須針對特定的設備來(lái)編制驅動(dòng)程序。盡管系統已經(jīng)提供了很多標準接口函數，但編制驅動(dòng)程序仍然是USB開(kāi)發(fā)中最困難的一件事情，通常采用Windows DDK來(lái)實(shí)現。目前有許多第三方軟件廠(chǎng)商提供了各種各樣的生成工具，象Compuware的driver works,Blue Waters的Driver Wizard等，它們能夠很容易地在幾分鐘之內生成高質(zhì)量的USB的驅動(dòng)程序。

設備中單片機程序的編制也同樣困難，而且沒(méi)有任何一家廠(chǎng)商提供了自動(dòng)生成的工具。編制一個(gè)穩定、完善的單片機程序直接關(guān)系到設備性能，必須給予充分的重視。

以上兩個(gè)程序是開(kāi)發(fā)者所關(guān)心的，用戶(hù)不大關(guān)心。用戶(hù)關(guān)心的是如何高效地通過(guò)鼠標來(lái)操作設備，如何處理和分析采集進(jìn)來(lái)的大量數據，因此還必須有高質(zhì)量的用戶(hù)軟件。用戶(hù)軟件必須有友好的界面，強大的數據分析和處理能力以及為用戶(hù)提供進(jìn)行再開(kāi)發(fā)的接口。

３ 實(shí)現USB遠距離采集數據傳輸

傳輸距離是限制USB在工業(yè)現場(chǎng)應用的一個(gè)障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過(guò)幾十米，這對工業(yè)現場(chǎng)而言顯然是太短了。

現在工業(yè)現場(chǎng)有大量采用RS－485傳輸數據的采集設備。RS－485有其固有的優(yōu)點(diǎn)，即它的傳輸距離可以達到1200米以上，并且可以?huà)旖佣鄠€(gè)設備。其不足之處在于傳輸速度慢，采用總線(xiàn)方式，設備之間相互影響，可靠性差，需要板卡的支持，成本高，安裝麻煩等。RS－485的這些缺點(diǎn)恰好能被USB所彌補，而USB傳輸距離的限制恰好又是RS－485的優(yōu)勢所在。如果能將兩者結合起來(lái)，優(yōu)勢互補，就能夠產(chǎn)生一種快速、可靠、低成本的遠距離數據采集系統。

這種系統的基本思想是：在采集現場(chǎng)，將傳感器采集到的模擬量數字化以后，利用RS－485協(xié)議將數據上傳。在PC端有一個(gè)雙向RS－485～USB的轉換接口，利用這個(gè)轉接口接收485的數據并通過(guò)USB接口傳輸至PC機進(jìn)行分析處理。而主機向設備發(fā)送數據的過(guò)程正好相反：主機向USB口發(fā)送數據，數據通過(guò)485～USB轉換口轉換為485協(xié)議向遠端輸送，如圖3所示。

在圖3的方案中，關(guān)鍵設備是485～USB轉換器。這樣的設備在國內外都已經(jīng)面市。筆者也曾經(jīng)用NATIONAL SEMICONDUCTOR公司的USBN9602+89c51+MAX485實(shí)現過(guò)這一功能，在實(shí)際應用中取得了良好的效果。

需要特別說(shuō)明的是，在485～USB轉換器中，485接口的功能和通常采用485卡的接口性能（速率、驅動(dòng)能力等）完全一樣，也就是說(shuō)，一個(gè)485～USB轉換器就能夠完全取代一塊485卡，成本要低許多，同時(shí)具有安裝方便、不受插槽數限制、不用外接電源等優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)和科研數據采集提供了一條方便、廉價(jià)、有效的途徑。

４ 綜合式采集數據傳輸系統的實(shí)現

現在的數據采集系統通常有分布式和總線(xiàn)兩種。采用USB接口易于實(shí)現分布式，而485接口則易于實(shí)現總線(xiàn)式，如果將這兩者結合起來(lái)，則能夠實(shí)現一種綜合式的數據采集系統。實(shí)現方法是：仍然利用上面提到過(guò)的USB～485轉換器實(shí)現兩種協(xié)議的轉換。由于USB的數據傳輸速率大大高于485，因此在每條485總線(xiàn)上仍然可以?huà)旖佣鄠€(gè)設備，形成了圖4所示的結構，其中D代表一個(gè)設備。

這種傳輸系統適用于一些由多個(gè)空間上相對分散的工作點(diǎn)，而每個(gè)工作點(diǎn)又有多個(gè)數據需要進(jìn)行采集和傳輸的場(chǎng)合，例如大型糧庫，每個(gè)糧倉在空間上相對分散，而每個(gè)糧倉又需要采集溫度、濕度、二氧化碳濃度等一系列數據。在這樣的情況下，每一個(gè)糧倉可以分配一條485總線(xiàn)，將溫度、濕度、二氧化碳濃度等量的采集設備都掛接到485總線(xiàn)上，然后每個(gè)糧倉再通過(guò)485總線(xiàn)傳輸到監控中心，并轉換為USB協(xié)議傳輸到PC機，多個(gè)糧倉的傳輸數據在轉換為USB協(xié)議后可以通過(guò)Hub連接到一臺PC機上。由于糧倉的各種數據監測實(shí)時(shí)性要求不是很高，因此采用這種方法可以用一臺PC機完成對一個(gè)大型糧庫的所有監測工作。

５ 前景展望

USB設備的應用目前在國外處于高速發(fā)展階段，在國內的應用已經(jīng)起步。我們在USB數據采集、USB工業(yè)控制等領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果，在現實(shí)中得到成功的應用。

即將出臺的USB2.0協(xié)議，數據傳輸速率高達480Mbps，如此高的傳輸速率能用于1.0的傳輸速率所無(wú)法滿(mǎn)足的地方，如高實(shí)時(shí)性要求的工業(yè)設備控制、動(dòng)態(tài)圖像實(shí)時(shí)傳輸等。隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，USB必將在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應用。