USB接口技术在外置式采样系统中的应用

2012-05-10 13:28:12来源: 互联网

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。

关键字:USB  接口技术  外置式  采样系统

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0510/article_15868.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
USB
接口技术
外置式
采样系统

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved