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精品文檔-下載后可編輯USB接口技術(shù)在外置式采樣系統(tǒng)中的應用(圖)-設計應用一、前言:中高速、高精度連續(xù)采樣系統(tǒng)由于采集的數(shù)據(jù)量大,通常將控制和數(shù)據(jù)通道部分做成板卡的形式,占用PC的一個ISA或PCI總線擴展槽,通過ISA或PCI總線的高速數(shù)據(jù)傳輸率(往往通過上述總線的DMA模式)實現(xiàn)PC與采樣系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)交換。但是,這種內(nèi)置式形式很容易受到PC機箱內(nèi)高頻干擾的影響,降低系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性。如果能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)做成外置式形式,不僅能夠提高系統(tǒng)的采樣精度和穩(wěn)定性,還能增強系統(tǒng)的靈活性,同時還有利于系統(tǒng)的維護。普通的外置式采樣系統(tǒng)一般通過RS-232C與PC連接,由于PC機的限制,RS-232C數(shù)據(jù)傳輸率不超過115KBPS(基于串口芯片16550,如基于8250,則僅有9600BPS),同時傳輸?shù)木嚯x也不會超過15米。對于中高速、高精度連續(xù)采樣系統(tǒng),其每秒的數(shù)據(jù)傳輸量為(100kHz采樣率,10位采樣精度):100K×10=1000K,若RS-232C以115KBPS與采樣系統(tǒng)交換數(shù)據(jù),則需約1000K/115K=8.7s的傳輸時間,采樣系統(tǒng)與PC接口速度的瓶頸作用會導致一部分數(shù)據(jù)的丟失,失去連續(xù)采樣的意義。因此,提高PC與外置式采樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道的流量是實現(xiàn)外置式中高速、高精度連續(xù)采樣系統(tǒng)的關(guān)鍵。隨著計算機軟硬技術(shù)的不斷發(fā)展,新一代通用串行總線接口的優(yōu)良特性給我們提供了的解決方案。二、USB接口的特點:USB技術(shù)由三部分組成:具有USB接口的PC系統(tǒng)、能夠支持USB的系統(tǒng)軟件和使用USB接口的設備。現(xiàn)在,586以上的PC機大多數(shù)都具有USB接口,微軟推出的WIN98操作系統(tǒng)也全面支持USB設備。USB設備受到人們的矚目,是由于USB不僅改變了以往串行總線低速的局面,同時還引入許多串行總線技術(shù)不具有的新特性。USB1.1規(guī)范支持低速1.5Mb/s和高速24Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。USB總線控制協(xié)議要求在數(shù)據(jù)發(fā)送時含有3個描敘數(shù)據(jù)類型、發(fā)送方向和終止標志、USB設備地址的數(shù)據(jù)包,因此,USB可通過菊花鏈的形式同時掛接多個USB設備。USB設備在發(fā)送數(shù)據(jù)時支持數(shù)據(jù)偵錯和糾錯功能,增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴SB還具有一些新的特性,如:共享性(一個物理設備可以使用許多不同的pipe)、實時性(可以實現(xiàn)和一個設備之間有效的實時通信)、動態(tài)性(可以實現(xiàn)接口間的動態(tài)切換)、聯(lián)合性(不同的而又有相近的特性的接口可以聯(lián)合起來)、多能性(各個不同的接口可以使用不同的供電模式)、自動性(缺省的pipe的使用使基系統(tǒng)的建立和配置變得自動并且快速)。三、外置式采樣系統(tǒng)的硬軟件設計:采用INTEL公司的8X930AX系列的USB控制器作為采樣系統(tǒng)的控制芯片,該芯片是以廣泛流行的8XC251SX系列的微控制器為MCU,因此,它使用與MCS51兼容的MCS251的指令系統(tǒng)。該芯片工作在12MHz的工作頻率,具有11個中斷源,其中有三個分配給USB設備。該芯片集成的USB接口符合USB1.0標準,支持高速(12MBPS)和低速(1.5MBPS)的數(shù)據(jù)傳輸率,并可工作在同步和異步這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式下。8X930AX除了增加了USB接口外,同時也在8XC251SX基礎上作了許多大的改進,如1K的片上數(shù)據(jù)RAM,支持高達256K外部程序/數(shù)據(jù)存儲空間,片上ROM可達到8K容量,為采樣系統(tǒng)的開發(fā)提供了許多便利之處。對熟悉MCS-51單片機系統(tǒng)的開發(fā)人員可非常迅速掌握該芯片的程序設計工作。本系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖1所示。圖1:外置式采樣系統(tǒng)的硬件框圖傳感器部分可根據(jù)所采量的特點選擇設計,對于需長距離傳輸?shù)哪M量采用電流傳輸?shù)姆绞?,也就是將采樣處的各種環(huán)境量(如溫度,濕度,壓力等)通過變換為電流的形式以便于長距離的傳輸,同時要注意傳輸線的屏蔽,以防傳輸過程的外界干擾。本系統(tǒng)選用的是TI的TLV2548構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換板,它具有200KSPS的采樣率,12位的采樣精度,具有8個輸入通道。CPU1、CPU2是以INTEL的8X830AX為的采樣控制板,8X930AX與普通的MCS51系列的單片機相比,只是增加了USB接口。所以,控制板的設計可參考普通MCS51單片機的設計。但由于單片機自身的局限性,它不能實現(xiàn)多條指令的并發(fā)機制,所以,當單片機系統(tǒng)完成采樣過程并存儲在有限容量的外部數(shù)據(jù)RAM中,一旦外部數(shù)據(jù)RAM滿,則單片機必須停止采樣的取數(shù)據(jù)過程,進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),即轉(zhuǎn)向?qū)⒋嬖谕獠繑?shù)據(jù)RAM的數(shù)據(jù)傳輸給PC機保存并處理。因此,如果僅靠一個單片機系統(tǒng)是難以實現(xiàn)連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)采樣,這可以通過兩個單片機系統(tǒng)的協(xié)同處理來解決這個矛盾,如圖1所示。C1,C2是兩個單片機系統(tǒng)的協(xié)同工作控制線信號,當CPU1必須轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)時,可通過C1發(fā)出一個喚醒信號通知CPU2進入數(shù)據(jù)采樣過程,利用高速的USB接口的數(shù)據(jù)傳輸,我們可以通過計算,在100KSPS的采樣率下,10位采樣精度的要求下,裝滿64K×8的外部RAM(如TMS28F512A-15)需時間(為便于存放,10位的采樣數(shù)據(jù)占用2個字節(jié)的存儲空間):64K×8/(100K×2×8)=0.32秒采用USB接口高速模式(12MBPS)有效數(shù)據(jù)傳輸需時間:64K×8/12M=0.042秒加上數(shù)據(jù)傳輸進為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的冗余位,其上傳輸時間也遠小于0.32秒。所以,在CPU2載滿外部RAM,進入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程時(即處在采樣階段),CPU1早以完成了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過程,也就不會出現(xiàn)爭搶USB通道的情況。同時,CPU2也能通過C2喚醒CPU1進入新一輪的數(shù)據(jù)采樣過程,而轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程,這樣,CPU1和CPU2依次采樣、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),從而實現(xiàn)連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)采樣。CPU1和CPU2能夠在高速采樣系統(tǒng)中協(xié)調(diào)工作,USB接口的高速的數(shù)據(jù)傳輸率是本系統(tǒng)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵所在。同時,為保證整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作,不至于出現(xiàn)CPU1和CPU2爭搶數(shù)據(jù)通道的情況,必須保證作為雙機協(xié)調(diào)控制的C1,C2的可靠工作。本系統(tǒng)的單片機CPU1的軟件流程如圖2所示:圖2:CPU1軟件流程圖CPU2的軟件流程圖與CPU1類似,只需按照響應被喚醒信號、進行采樣流程、發(fā)喚醒CPU1信號、進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程的次序重新組織功能模塊。PC機(即上位機)的控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊可根據(jù)設計的要求組織,數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受可通過調(diào)用編制的PC機USB接口驅(qū)動模塊與采樣系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。四、結(jié)語:采用USB接口的外置式中高速,高精度采樣系統(tǒng)很好的完成了我們的要求。使采樣設備具有移動性,可自由掛接在具有USB接口的運行在WINDOWS98平臺下的PC機上。加上自己開發(fā)的PC機通信軟件和DSP處理組件,能夠替代普通的數(shù)字示波器。另外,U
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