USB接口技术在外置式采样系统中的应用

USB接口技术在外置式采样系统中的应用

一、前言：

---- 中高速、高精度连续采样系统由于采集的数据量大，通常将控制和数据通道部分做成板卡的形式，占用PC的一个ISA或PCI总线扩展槽，通过ISA或PCI总线的高速数据传输率（往往通过上述总线的DMA模式）实现PC与采样系统的大容量数据交换。但是，这种内置式形式很容易受到PC机箱内高频干扰的影响，降低系统的采样精度和稳定性。如果能够将整个系统做成外置式形式，不仅能够提高系统的采样精度和稳定性，还能增强系统的灵活性，同时还有利于系统的维护。

---- 普通的外置式采样系统一般通过RS-232C与PC连接，由于PC机的限制，RS-232C最高数据传输率不超过115KBPS（基于串口芯片16550，如基于8250，则最高仅有9600BPS），同时传输的距离也不会超过15米。对于中高速、高精度连续采样系统，其每秒的数据传输量最小为（100kHz采样率，10位采样精度）：100K×10=1000K，若RS-232C以115KBPS与采样系统交换数据，则需约1000K/115K=8.7s的传输时间，采样系统与PC接口速度的瓶颈作用会导致一部分数据的丢失，失去连续采样的意义。因此，提高PC与外置式采样系统数据通道的流量是实现外置式中高速、高精度连续采样系统的关键。随着计算机软硬技术的不断发展，新一代通用串行总线接口的优良特性给我们提供了极佳的解决方案。

二、USB接口的特点：

---- USB技术由三部分组成：具有USB接口的PC系统、能够支持USB的系统软件和使用USB接口的设备。现在，586以上的PC机大多数都具有USB接口，微软推出的WIN98操作系统也全面支持USB设备。USB设备受到人们的瞩目，是由于USB不仅改变了以往串行总线低速的局面，同时还引入许多串行总线技术不具有的新特性。USB 1.1规范支持低速1.5Mb/s和高速24Mb/s的数据传输率。

---- USB总线控制协议要求在数据发送时含有3个描叙数据类型、发送方向和终止标志、USB设备地址的数据包，因此，USB可通过菊花链的形式同时挂接多个USB设备。USB设备在发送数据时支持数据侦错和纠错功能，增强了数据传输的可靠性。USB还具有一些新的特性，如：共享性（一个物理设备可以使用许多不同的pipe）、实时性（可以实现和一个设备之间有效的实时通信）、动态性（可以实现接口间的动态切换）、联合性（不同的而又有相近的特性的接口可以联合起来）、多能性（各个不同的接口可以使用不同的供电模式）、自动性（缺省的pipe的使用使基系统的建立和配置变得自动并且快速）。

三、外置式采样系统的硬软件设计：

---- 采用INTEL公司的8X930AX系列的USB控制器作为采样系统的控制芯片，该芯片是以广泛流行的8XC251SX系列的微控制器为MCU核心，因此，它使用与MCS51兼容的MCS251的指令系统。该芯片工作在12MHz的工作频率，具有11个中断源，其中有三个分配给USB设备。该芯片集成的USB接口符合USB 1.0标准，支持高速（12MBPS）和低速（1.5MBPS）的数据传输率，并可工作在同步和异步这两种数据传输方式下。8X930AX除了增加了USB接口外，同时也在8XC251SX基础上作了许多大的改进，如1K的片上数据RAM，支持高达256K外部程序/数据存储空间，片上ROM可最高达到8K容量，为采样系统的开发提供了许多便利之处。对熟悉MCS-51单片机系统的开发人员可非常迅速掌握该芯片的程序设计工作。本系统的硬件设计框图如图1所示。

图1:外置式采样系统的硬件框图

---- 传感器部分可根据所采量的特点选择设计，对于需长距离传输的模拟量最好采用电流传输的方式，也就是将采样处的各种环境量（如温度，湿度，压力等）通过变换为电流的形式以便于长距离的传输，同时要注意传输线的屏蔽，以防传输过程的外界干扰。

---- 本系统选用的是TI的TLV2548构成的A/D转换板，它具有最高200KSPS的采样率，12位的采样精度，具有8个输入通道。

---- CPU1、CPU2是以INTEL的8X830AX为核心的采样控制板，8X930AX与普通的MCS51系列的单片机相比，只是增加了USB接口。所以，控制板的设计可参考普通MCS51单片机的设计。但由于单片机自身的局限性，它不能实现多条指令的并发机制，所以，当单片机系统完成采样过程并存储在有限容量的外部数据RAM中，一旦外部数据RAM满，则单片机必须停止采样的取数据过程，进行数据的转发，即转向将存在外部数据RAM的数据传输给PC机保存并处理。因此，如果仅靠一个单片机系统是难以实现连续不间断的数据采样，这可以通过两个单片机系统的协同处理来解决这个矛盾，如图1所示。C1，C2是两个单片机系统的协同工作控制线信号，当CPU1必须转向数据的转发时，可通过C1发出一个唤醒信号通知CPU2进入数据采样过程，利用高速的USB接口的数据传输，我们可以通过计算，在100KSPS的采样率下，10位采样精度的要求下，装满64K×8的外部RAM（如TMS28F512A-15）需时间（为便于存放，10位的采样数据占用2个字节的存储空间）：
---- 64K×8/（100K×2×8）=0.32秒

---- 采用USB接口高速模式（12MBPS）有效数据传输需时间：
---- 64K×8/12M=0.042秒

---- 加上数据传输进为保证数据传输可靠性的冗余位，其上传输时间也远小于0.32秒。所以，在CPU2载满外部RAM，进入数据转发过程时（即处在采样阶段），CPU1早以完成了数据的转发过程，也就不会出现争抢USB通道的情况。同时，CPU2也能通过C2唤醒CPU1进入新一轮的数据采样过程，而转入数据转发过程，这样，CPU1和CPU2依次采样、数据转发，从而实现连续不间断的数据采样。CPU1和CPU2能够在高速采样系统中协调工作，USB接口的高速的数据传输率是本系统得以实现的关键所在。同时，为保证整个系统的协调工作，不至于出现CPU1和CPU2争抢数据通道的情况，必须保证作为双机协调控制的C1，C2的可靠工作。

---- 本系统的单片机CPU1的软件流程如图2所示：

图2:CPU1软件流程图

---- CPU2的软件流程图与CPU1类似 ，只需按照响应被唤醒信号、进行采样流程、发唤醒CPU1信号、进行数据转发流程的次序重新组织功能模块。PC机（即上位机）的控制模块和数据处理模块可根据设计的要求组织，数据的发送和接受可通过调用编制的PC机USB接口驱动模块与采样系统交换数据。

四、结语：

---- 采用USB接口的外置式中高速，高精度采样系统很好的完成了我们的要求。使采样设备具有移动性，可自由挂接在具有USB接口的运行在WINDOWS98平台下的PC机上。加上自己开发的PC机通信软件和DSP处理组件，能够替代普通的数字示波器。另外，USB通用串行总线的优异性能不止局限于数据传输率高，USB接口还支持同时挂接127个独立的USB设备。因此，可实现多个USB接口的采样系统同时挂接在一个PC机上，组成一个采样系统网，完成多处的连续不间断的模拟量的采集。如果在采样系统网上配置我们需要的控制装置，便可实现一个简单的模拟量的监控系统。