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基于USB接口的通用测试仪的设计与实现
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引言在许多工业控制和数据采集系统中，为了实现系统的小型化和便携化，通常采用上下位机形式的主从式结构。
由于MCU（微控制器）成本低，编程灵活、方便，实时性强，且具有一定的智能，因而通常使用它作为下位机的主控芯片，负责对现场数据的采集与传输，并控制相应的执行机构。上位机一般使用普通的PC机、笔记本电脑或工控机，负责对下位机传来的数据进行分析处理, 并根据处理结果控制下位机的操作。上下位机之间的数据通信接口目前一般使用RS-232和USB总线接口标准，相对于RS-232，USB 具有高速传输、热插拔、即插即用等优点。在本系统中，为了保证下位机高速采样数据能及时传送给上位机进行分析处理，我们采用USB总线来实现上下位机的数据传输。
1 系统的硬件构成
系统主要由PC机，高性能C8051F020微控制器(MCU),USB接口插头，USB100模块。图1是其系统构成框图。
1.1 C8051F020微控制器[1]
我们选择美国Silicon公司的微控制器（MCU）C8051F020（简称F020）作为数据采集系统的CPU。F020是一种混合信号SOC型8位单片机，它有一个8通道的、转换速率为100Kbps的12位ADC，以及一个8通道的、转换速率为500Kbps的8位ADC；2个12位DAC；64KB FlashRom,4KBRAM；有22个中断源和5个定时器/计数器。该MCU属于C8051FXXX系列中的F02x子系列,其性能价格比在目前应用领域极具竞争力，它具有以下主要特点：1）芯片采用高速流水线结构；2）先进的JTAG调试接口；3）可靠的安全机制可利用JTAG编程加密芯片；4）强大的控制功能。有多达64个I/O线，有独特数字交叉开关(digital crossbar)，允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚；5）有多达22个中断源。
1.2 USB100[2-3]
USB100内部封装了USB1.1的全部协议，并带有384字节的发送缓冲区和128字节的接收缓冲区，8位并行数据接口。对USB的操作编程类似对外部存储器的操作，由于该模块完成了全部USB协议的转换和封装，使得对USB的开发和应用过程变得非常简单，用户只要在PC机上安装USB100模块驱动程序以后，对其编程可以按照与串口完全一样的方法来完成。USB100主要的管脚及功能如表1 所示（未列出的管脚为空脚）。
表1 USB管脚功能和定义
如图2所示，当检测到USB100模块TXE为低时，表示内部发送缓冲区允许发送数据，可以将数据通过8位数据总线D0～D7发送给USB100模块，发送数据锁存由WR控制（边沿触发）；当TXE为高时，禁止发送数据。
如图3所示，当检测到USB100模块RXF为低时，表示内部接收缓冲区有来自USB端口的数据可通过8位数据线将数据读入，接收数据锁存器由RD控制（边沿触发）。
USB100模块的数据线D0～D7与F020的P4端口相连，P2.4～P2.7分别与USB100模块的TXE、RXF、WR、RD相连。
2 系统通信的设计[4－6]
动态测试仪的任务主要是进行数据采集和定时/计数，并将这些数据传给上位机进行数据处理，这就要求上下位机之间的通信有清晰、准确的通信协议，来保证数据通信能够有条不紊地进行。
为了满足上、下位机软件的可扩展性和通用性，通信协议采用数据帧的形式传输信息。协议帧格式见表2，它由起始符、长度码、帧信息、帧校验和终止符组成，成帧过程中采用了字符插入法和HEX校验。
表2 协议帧格式
1）成帧方式
协议帧使用“DLE STX”作为起始符，使用“DLE ETX”作为终止符，并采用字符插入法保证通信信息的正确。字符插入法的实现方法为：发送方搜索起始符和终止符间每个字节信息，若为“DLE”，即在该字节信息后插入一个“DLE”。接收方接收信息后也要搜索整个帧，若查找到连续两个“DLE”，即将后一个 “DLE”删除，还原成原信息内容。
2）帧校验算法
协议帧采用HEX校验保证通信信息的正确。HEX校验的填充在字符插入之前实现，HEX校验的验证在插入字符删除之后实现。实现方法为：发送方计算起始符和终止符间待发送数据的校验和，然后将256与该校验和的差填充于“HEX校验”字节处。接收方计算起始符和终止符间包括HEX字节在内的接收数据校验和，若为0，则校验通过。
3 系统软件设计[5－7]
F020有8通道100Kbps、12位精度的ADC0以及8通道500Kbps、8位精度的ADC1。考虑到系统灵活性，我们编程使得通道选择，采样时间，采样周期，开关量的状态由用户在上位机上指定，然后以命令字传给下位机，具体为：用两个字节分别表示该通道是否被选中，每个字节位上为1表示该通道被选中，否则不被选中。用3个字节存放采样周期，其最小单位为50微妙（即最大采样速率为20K bps），5个字节存放采样时间，一个字节用于开关量的通断状态，为1则接通，反之为切断。
3.1 下位机软件
为减轻下位机的任务，其采集的原始数据直接送给上位机进行处理，下位机的任务就是进行数据采集，并把所采集的数据通过USB100传给上位机，以保证下位机有高的采样速率。下位机的工作流程见图4。
3.1.1 下位机发送数据子程序
函数: Send_AD_Result();
参数: 无
功能: 将AD转换结果组成帧后,以帧格式发送给上位机
void Send_AD_Result (void){
if(txe==0){
wr="0";
for(i=0;i
wr="1";
PORT4=MyData[i];/*数据顺序存放在内存MyData中*/
wr="0";
}
}
}
3.1.2 下位机接收数据子程序
同理，当MCU检测到USB100 模块RXF 为低时，表示内部接收缓冲区有来自USB100端口的数据，可以通过八位数据总线D0～D7 将数据读出。
函数: ReceiveData()
参数: 无
功能: 查看PC端是否有数据送来，如有，则置收到数据标志
void ReceiveData (void){
rd="1";
if(rxf==0){/*数据缓冲区有数据*/
DataNumber+=0x01;//接收数据长度加1
rd="0"; //读操作，低电平有效
Receive_Data=PINB;//接收数据
rd="1";
}
3.2 上位机软件
用户在PC机上安装USB100模块驱动程序之后，该USB100默认成该PC的一个虚拟串口，因此在上位机可以将它当作一个串口进行处理。上位机软件开发是用VB完成的，与下位机的通信使用串口控件MSComm。上位机的主要功能有：
1) 采样通道以及开关量的设置，输入模拟量的选择（电压、电流，电阻），变换器输出的单位选择。
2) 对下位机传来的原始数据进行处理，并根据传感器参数转换为对应的实际测量值。
3) 实时在计算机屏幕上显示采样曲线，并把所采集的数据存入数据库，以便能够随时查阅。
4) 对采集的数据进行频谱分析，并将分析结果以曲线形式显示在屏幕上。
4 结束语
我们采用USB100 专用模块和C8051F020高速嵌入式MCU设计的测试仪，不仅满足现场数据采集以及相应的控制，而且方便与笔记本电脑或台式机构建虚拟仪器系统。我们在上位机软件设计时考虑到其通用性，根据实际需求选用不同的传感器，在上位机上进行相应的选择，就能得到所需的测量数据及曲线，因而该测试仪有较强的通用性。本测试仪经过两年多来的实际运行，系统运行稳定可靠，满足用户需求。
参考文献：
[1] 潘琢金，施国君. C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[2] 迅通科技. USB100数据手册[M]. 哈尔滨：迅通科技有限公,2002.
[3] 冯国飞,宋蕴兴. 基于USB数据采集卡的设计与实现[J]. 微计算机信息，2005.11：75－76
[4] 张厚武，姚凯学. 基于C8051F020微控制器的动态测试仪的设计[J]. 机械与电子，2006(8):12-14.
[5] 陈建平,姚凯学,等. 通用动态测试系统的设计与实现. 贵州大学学报(自然科学版), 2004,21(1):79-82.
[6] 谢瑞和.串行技术大全.北京：清华大学出版社,2003.4
[7] 郑阿奇，曹戈.Visual Basic实用教程 北京：电子工业出版社，2003.
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