USB接口技術在外置式采樣系統中的應用

一、前言：

---- 中高速、高精度連續采樣系統由于采集的數據量大，通常將控制和數據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總線的高速數據傳輸率（往往通過上述總線的DMA模式）實現PC與采樣系統的大容量數據交換。但是，這種內置式形式很容易受到PC機箱內高頻干擾的影響，降低系統的采樣精度和穩定性。如果能夠將整個系統做成外置式形式，不僅能夠提高系統的采樣精度和穩定性，還能增強系統的靈活性，同時還有利于系統的維護。

---- 普通的外置式采樣系統一般通過RS-232C與PC連接，由于PC機的限制，RS-232C最高數據傳輸率不超過115KBPS（基于串口芯片16550，如基于8250，則最高僅有9600BPS），同時傳輸的距離也不會超過15米。對于中高速、高精度連續采樣系統，其每秒的數據傳輸量最小為（100kHz采樣率，10位采樣精度）：100K×10=1000K，若RS-232C以115KBPS與采樣系統交換數據，則需約1000K/115K=8.7s的傳輸時間，采樣系統與PC接口速度的瓶頸作用會導致一部分數據的丟失，失去連續采樣的意義。因此，提高PC與外置式采樣系統數據通道的流量是實現外置式中高速、高精度連續采樣系統的關鍵。隨著計算機軟硬技術的不斷發展，新一代通用串行總線接口的優良特性給我們提供了極佳的解決方案。

二、USB接口的特點：

---- USB技術由三部分組成：具有USB接口的PC系統、能夠支持USB的系統軟件和使用USB接口的設備。現在，586以上的PC機大多數都具有USB接口，微軟推出的WIN98操作系統也全面支持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不具有的新特性。USB 1.1規范支持低速1.5Mb/s和高速24Mb/s的數據傳輸率。

---- USB總線控制協議要求在數據發送時含有3個描敘數據類型、發送方向和終止標志、USB設備地址的數據包，因此，USB可通過菊花鏈的形式同時掛接多個USB設備。USB設備在發送數據時支持數據偵錯和糾錯功能，增強了數據傳輸的可靠性。USB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（可以實現和一個設備之間有效的實時通信）、動態性（可以實現接口間的動態切換）、聯合性（不同的而又有相近的特性的接口可以聯合起來）、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的使用使基系統的建立和配置變得自動并且快速）。

三、外置式采樣系統的硬軟件設計：

---- 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核心，因此，它使用與MCS51兼容的MCS251的指令系統。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USB 1.0標準，支持高速（12MBPS）和低速（1.5MBPS）的數據傳輸率，并可工作在同步和異步這兩種數據傳輸方式下。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的片上數據RAM，支持高達256K外部程序/數據存儲空間，片上ROM可最高達到8K容量，為采樣系統的開發提供了許多便利之處。對熟悉MCS-51單片機系統的開發人員可非常迅速掌握該芯片的程序設計工作。本系統的硬件設計框圖如圖1所示。

圖1:外置式采樣系統的硬件框圖

---- 傳感器部分可根據所采量的特點選擇設計，對于需長距離傳輸的模擬量最好采用電流傳輸的方式，也就是將采樣處的各種環境量（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。

---- 本系統選用的是TI的TLV2548構成的A/D轉換板，它具有最高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為核心的采樣控制板，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，它不能實現多條指令的并發機制，所以，當單片機系統完成采樣過程并存儲在有限容量的外部數據RAM中，一旦外部數據RAM滿，則單片機必須停止采樣的取數據過程，進行數據的轉發，即轉向將存在外部數據RAM的數據傳輸給PC機保存并處理。因此，如果僅靠一個單片機系統是難以實現連續不間斷的數據采樣，這可以通過兩個單片機系統的協同處理來解決這個矛盾，如圖1所示。C1，C2是兩個單片機系統的協同工作控制線信號，當CPU1必須轉向數據的轉發時，可通過C1發出一個喚醒信號通知CPU2進入數據采樣過程，利用高速的USB接口的數據傳輸，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位的采樣數據占用2個字節的存儲空間）：
---- 64K×8/（100K×2×8）=0.32秒

---- 采用USB接口高速模式（12MBPS）有效數據傳輸需時間：
---- 64K×8/12M=0.042秒

---- 加上數據傳輸進為保證數據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，進入數據轉發過程時（即處在采樣階段），CPU1早以完成了數據的轉發過程，也就不會出現爭搶USB通道的情況。同時，CPU2也能通過C2喚醒CPU1進入新一輪的數據采樣過程，而轉入數據轉發過程，這樣，CPU1和CPU2依次采樣、數據轉發，從而實現連續不間斷的數據采樣。CPU1和CPU2能夠在高速采樣系統中協調工作，USB接口的高速的數據傳輸率是本系統得以實現的關鍵所在。同時，為保證整個系統的協調工作，不至于出現CPU1和CPU2爭搶數據通道的情況，必須保證作為雙機協調控制的C1，C2的可靠工作。

---- 本系統的單片機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、發喚醒CPU1信號、進行數據轉發流程的次序重新組織功能模塊。PC機（即上位機）的控制模塊和數據處理模塊可根據設計的要求組織，數據的發送和接受可通過調用編制的PC機USB接口驅動模塊與采樣系統交換數據。

四、結語：

---- 采用USB接口的外置式中高速，高精度采樣系統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。加上自己開發的PC機通信軟件和DSP處理組件，能夠替代普通的數字示波器。另外，USB通用串行總線的優異性能不止局限于數據傳輸率高，USB接口還支持同時掛接127個獨立的USB設備。因此，可實現多個USB接口的采樣系統同時掛接在一個PC機上，組成一個采樣系統網，完成多處的連續不間斷的模擬量的采集。如果在采樣系統網上配置我們需要的控制裝置，便可實現一個簡單的模擬量的監控系統。