摘 要： 針對(duì)特殊測(cè)試環(huán)境下傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)、傳輸數(shù)據(jù)的不便,，設(shè)計(jì)了一種基于雙模式USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。該系統(tǒng)以CH375為USB接口芯片,，STC12C5A60S2單片機(jī)為處理器，構(gòu)成主從單片機(jī)系統(tǒng),，用于某型數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)的性能測(cè)試,。該系統(tǒng)采用USB主/從雙模式的采集方案，可將數(shù)據(jù)保存于USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備或直接上傳至PC機(jī),，大大提高了測(cè)試效率,。
關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集； 雙模式,； USB,；多處理器
現(xiàn)代軍事、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備功能不斷完善,、集成化程度越來(lái)越高,，這就對(duì)配套的數(shù)據(jù)采集以及檢測(cè)系統(tǒng)提出了更高要求。特別是條件惡劣,、野外以及空間狹小封閉的測(cè)試環(huán)境中,，不僅要求系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)采集，同時(shí)更需要將采集的數(shù)據(jù)保存于大容量存儲(chǔ)設(shè)備中,，方便后續(xù)的分析處理[1],。目前，由于高速率,、低成本,、易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，USB總線(xiàn)已成為計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間數(shù)據(jù)交換的主流總線(xiàn)協(xié)議,。采用USB接口的各種大容量移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備具有高速,、抗震、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),，特別適用于以上的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合,。
本文采用USB總線(xiàn)接口芯片CH375設(shè)計(jì)了具有主/從雙模式的多單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，既能完成與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊,，也可在環(huán)境條件惡劣時(shí)作為便攜式系統(tǒng)完成采集數(shù)據(jù)在USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備上的轉(zhuǎn)存,。
1 雙模式USB接口芯片CH375簡(jiǎn)介
CH375是南京沁恒有限公司生產(chǎn)的USB總線(xiàn)通用接口芯片,支持USB-HOST主機(jī)方式與USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式，并可動(dòng)態(tài)切換,。CH375具有8 bit數(shù)據(jù)總線(xiàn),，讀、寫(xiě),、片選控制以及中斷輸出,，可以方便地掛接到單片機(jī)等控制器的系統(tǒng)總線(xiàn)上。主機(jī)模式下，芯片還提供了串行通訊方式,，控制器可以通過(guò)串口操作USB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備,。此外，CH375內(nèi)置了處理Mass-Storange海量存儲(chǔ)設(shè)備的專(zhuān)用通訊協(xié)議固件,，支持常用的USB全速設(shè)備，兼容USB2.0設(shè)備(U盤(pán),、閃盤(pán)以及USB移動(dòng)硬盤(pán))[2],。外部控制器可以通過(guò)該芯片直接以扇區(qū)為單位進(jìn)行讀寫(xiě)操作控制。如果需要處理與PC機(jī)兼容的文件系統(tǒng),，可以利用廠家提供的C語(yǔ)言子程序庫(kù)實(shí)現(xiàn)USB存儲(chǔ)設(shè)備的文件級(jí)接口,，從而降低開(kāi)發(fā)難度、節(jié)約成本,。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]
本文介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于某型數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)的性能測(cè)試,，其硬件框圖如圖1所示。
系統(tǒng)硬件主要由主控單片機(jī),、信號(hào)調(diào)理模塊,、USB通訊模塊、從控單片機(jī)組以及鍵盤(pán)顯示模塊五部分構(gòu)成,。工作時(shí),，先由主控單片機(jī)向從控單片機(jī)組發(fā)出測(cè)試開(kāi)始指令，從控單片機(jī)組完成與被測(cè)隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控電路的通訊,，一方面測(cè)試通訊情況是否正常,，另一方面維持隨動(dòng)系統(tǒng)正常工作。通訊測(cè)試結(jié)果經(jīng)串行口由從控機(jī)組送回主控機(jī),，作為性能測(cè)試的部分結(jié)果數(shù)據(jù),。隨動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行后，信號(hào)調(diào)理模塊將被測(cè)信號(hào)濾波整理,，分批送入主控單片機(jī)的ADC輸入端,，主控單片機(jī)經(jīng)CH375將被測(cè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入U(xiǎn)SB存儲(chǔ)設(shè)備或發(fā)送至PC機(jī)直接處理。
基于USB主機(jī)模式下文件級(jí)子程序庫(kù)編程的需要,，主控單片機(jī)采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2,。該單片機(jī)工作頻率可達(dá)35 MHz,具有1280 B片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與60 KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，8通道10 bit高速ADC,，2個(gè)全雙工異步串行口[4],，完全滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集與CH375主/從雙模式的控制要求。
USB主機(jī)接口電路如圖2所示,。CH375芯片工作于并口方式,，將其TXD引腳接地，并行接口掛接到單片機(jī)系統(tǒng)總線(xiàn)上。其8 bit雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0~D7直接與單片機(jī)的P0數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連,，地址輸入線(xiàn)A0,，讀、寫(xiě)選通引腳RD,、WR和片選信號(hào)CS,，分別連接至單片機(jī)的P5.0~5.3引腳。中斷請(qǐng)求輸出INT連接到單片機(jī)的中斷輸入INT0引腳,，中斷請(qǐng)求為低電平有效,。
從控單片機(jī)組共有4片STC12C5A60S2，每片第一串口與主控機(jī)相連,，實(shí)現(xiàn)主,、從機(jī)數(shù)據(jù)與控制傳輸。其中3片經(jīng)并行口,、1片經(jīng)第二串行口與隨動(dòng)數(shù)控電路通訊,。從控機(jī)與隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控電路進(jìn)行并口通訊的各信號(hào)線(xiàn)包括：8 bit數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0～D7，通訊啟動(dòng)信號(hào)START,，應(yīng)答信號(hào)ACK,，同步信號(hào)SYN，中斷信號(hào)INT,。
系統(tǒng)工作模式由主控單片機(jī)外接鍵盤(pán)動(dòng)態(tài)切換,。開(kāi)機(jī)后默認(rèn)工作于主機(jī)模式，等待USB存儲(chǔ)設(shè)備連接,。單片機(jī)檢測(cè)存儲(chǔ)設(shè)備連接并判斷符合要求后,，系統(tǒng)可正常測(cè)試采集數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)存于外接存儲(chǔ)設(shè)備,，供后期導(dǎo)入PC機(jī)分析處理,。測(cè)試條件允許時(shí)，也可將系統(tǒng)設(shè)置為與PC機(jī)直接相連的從機(jī)模式,。這時(shí),，數(shù)據(jù)采集過(guò)程完全由上位機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的性能參數(shù)與故障分析測(cè)試,，提高工作效率,。
3 雙模式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
使用51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言編程軟件Keil uVision3編寫(xiě)單片機(jī)程序，完成數(shù)據(jù)采集,、通訊控制,、數(shù)據(jù)處理等功能。主程序流程如圖3所示,。
3.1 主機(jī)模式程序設(shè)計(jì)
廠家提供了適用于單片機(jī)操作U盤(pán)的文件級(jí)子程序庫(kù)CH375HF6.LIB,，將主機(jī)模式下處理USB存儲(chǔ)設(shè)備的API進(jìn)行了封裝,，支持FAT12、FAT16和FAT32文件系統(tǒng)[5],。該文件級(jí)子程序庫(kù)的所有API函數(shù)在調(diào)用后都有操作狀態(tài)返回,，但不一定有應(yīng)答數(shù)據(jù)，API參數(shù)在CH375HF6.H文件內(nèi)進(jìn)行說(shuō)明,。調(diào)用的API子程序主要有:芯片初始化CH375Init( ),查詢(xún)?cè)O(shè)備準(zhǔn)備好CH375DiskReady(),查詢(xún)存儲(chǔ)設(shè)備信息CH375DiskQuery(),新建文件CH375FileCreate(),，打開(kāi)文件CH375FileOpen()，寫(xiě)文件數(shù)據(jù)CH375ByteWrite(),，關(guān)閉文件CH375FileClose()等[6],。操作U盤(pán)存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)的程序流程如圖4所示。
采用Keil編寫(xiě)U盤(pán)操作程序時(shí),，需要將CH375HF6.LIB庫(kù)文件和CH375HF6.H添加到項(xiàng)目中。主機(jī)模式單片機(jī)程序基本框架如下：
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_SET_USB_MODE);
//設(shè)置USB工作模式
CH375_WR_DAT_PORT(6);
//模式代碼,，已啟用的USB主機(jī)模式 DelayuS(20);
//延時(shí)
while(CH375DiskConnect( )!=ERR_SUCCESS)
//查詢(xún)U盤(pán)是否連接
DelaymS(200); //延時(shí),，等待U盤(pán)工作正常
while(CH375DiskReady( )!=ERR_SUCCESS)
//檢查U盤(pán)是否準(zhǔn)備好
……
CH375DiskQuery( );
//查詢(xún)U盤(pán)信息：總?cè)萘俊⑹Ｓ嗳萘?、文件系統(tǒng)
……
while ( i!=ERR_SUCCESS )
{strcpy( mCmdParam.Open.mPathName, "\\TEST" );
//目錄名
i=CH375FileOpen( );} //打開(kāi)目錄
while(i!=ERR_SUCCESS)
{strcpy(mCmdParam.Open.mPathName,TestData);
//輸入文件名
i=CH375FileOpen( ); } //打開(kāi)文件
……
mCmdParam.Write.mSectorCount=SecCount;
//寫(xiě)入所有扇區(qū)的數(shù)據(jù)
current_buffer=& FILE_DATA_BUF[0];
//設(shè)置存放數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的起始地址
CH375FileWrite( ); //向文件寫(xiě)入數(shù)據(jù)
……
CH375FileClose( ); //關(guān)閉文件
3.2 從機(jī)模式
此模式下,，單片機(jī)通過(guò)CH375與PC機(jī)進(jìn)行通訊，完成采集方案下載與數(shù)據(jù)上傳,，程序流程圖如圖5所示,。
單片機(jī)重新初始化CH375并設(shè)置為設(shè)備工作模式。測(cè)試芯片正常連接后,，系統(tǒng)可接收PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù),。主控單片機(jī)根據(jù)下載的采集方案進(jìn)行采集測(cè)試，并將結(jié)果數(shù)據(jù)存入采集緩沖區(qū),，待緩沖區(qū)滿(mǎn),，則向PC機(jī)請(qǐng)求上傳。采集結(jié)束,，數(shù)據(jù)全部上傳,，系統(tǒng)完成一個(gè)從機(jī)模式采集工作過(guò)程。從機(jī)模式單片機(jī)程序基本框架如下：
CH375Init(); //初始化CH375
DelaymS(50); //延時(shí)
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_SET_USB_MODE);
//設(shè)置USB工作模式
CH375_WR_DAT_PORT(2);
//模式代碼,，已啟用的內(nèi)置固件USB設(shè)備模式 DelayuS(20);
//延時(shí)
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_CHECK_EXIST);
//測(cè)試工作狀態(tài)
CH375_WR_DAT_PORT(0x57); //寫(xiě)入測(cè)試數(shù)據(jù) DelayuS(10);
//延時(shí)
If(CH375_RD_DAT_PORT( )==0xA8);
//讀出測(cè)試數(shù)據(jù)是否按位取反,，判斷工作狀態(tài)
……
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS);
//中斷子程序中，讀取中斷狀態(tài)命令
int_sn=CH375_RD_DAT_PORT( ); //讀中斷號(hào) ……
if (int_sn ==USB_INT_USB_EP2_OUT)
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_RD_USB_DATA);
//讀取上位機(jī)測(cè)試方案數(shù)據(jù)并釋放緩沖區(qū)
……
test_all( ); //按下載方案測(cè)試采集數(shù)據(jù)
……
While (flag_upload == 0) //數(shù)據(jù)上傳未結(jié)束
{
……
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA 7);
//批量上傳采集數(shù)據(jù)
CH375_WR_DAT_PORT(n); //寫(xiě)入上傳字節(jié)數(shù)
for (i=0;i<n;i++) //每次上傳n字節(jié)
CH375_WR_DAT_PORT(*test_buf ++);
//上傳采集結(jié)果,，指針自動(dòng)加1
……
}
……
if (int_sn ==USB_INT_USB_EP2_IN)
//中斷子程序中,，中斷號(hào)為端點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)完畢
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_UNLOCK_USB);
//釋放緩沖區(qū)
基于CH375雙模式USB接口芯片,設(shè)計(jì)完成了主/從雙模式的數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)。充分利用接口即插即用,、便攜式的特點(diǎn),，解決了特殊環(huán)境下的測(cè)試?yán)щy問(wèn)題。同時(shí)，系統(tǒng)具有雙模式,、多單片機(jī)的優(yōu)勢(shì),，能夠滿(mǎn)足高標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試需求，具有廣闊的應(yīng)用前景,。
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