基于通用串行總線實現(xiàn)遠距離采集數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機對各種數(shù)據(jù)進行采集。這其中有很多地方需要對各種數(shù)據(jù)進行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等?，F(xiàn)在常用的采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有A/D卡以及422、485等總線板卡。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且由于受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。而通用串行總線（Universal Aerial Bus，簡稱USB）的出現(xiàn)，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實現(xiàn)低成本、高可靠性、多點的數(shù)據(jù)采集。

１ USB簡介

USB是一些PC大廠商，如Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標準，自1995年在Comdex上亮相以來至今已廣泛地為各PC廠家所支持?，F(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsft的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對USB的支持。

1.1 USB系統(tǒng)的構(gòu)成

USB系統(tǒng)主要由主控制器（Host CONTROLler）、USB Hub 和USB外設(shè)（Peripherals Node）組成系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖１所示。

1.2 USB的主要優(yōu)點

·速度快。USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps，另外為了適應(yīng)一些不需要很大吞吐量和很高實時性的設(shè)備，如鼠標等，USB還提供低速方式，速率為1.5Mb/s。

·設(shè)備安裝和配置容易。安裝USB設(shè)備不必再打開機箱，加減已安裝過的設(shè)備完全不用關(guān)閉計算機。所有USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進行自動配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。

·易于擴展。通過使用Hub擴展可撥接多達127個外設(shè)。標準USB電纜長度為3m（5m低速）。通過Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達到30m。

·能夠采用總線供電。USB總線提供最大達5V電壓、500mA電流。

·使用靈活。USB共有４種傳輸模式：控制傳輸（CONTROL）、同步傳輸（Synchronization）、中斷傳輸（interrupt）、批量傳輸（bulk），以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。

２ 采用USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集設(shè)備

2.1 硬件組成

一個實用的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器以及USB通信接口。為了擴展其用途，還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字I/O端口。

系統(tǒng)的A/D、數(shù)字I/O的設(shè)計可沿用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，根據(jù)采集的精度、速率、通道數(shù)等諸元素選擇合適的芯片，設(shè)計時應(yīng)充分注意抗干擾的性能，尤其對A/D采集更是如此。

在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式，一種是采用普通單片機加上專用的USB通信芯片?，F(xiàn)在的專用芯片中較流行的有NATIONAL SEMICONDUCTOR公司的USBN9602、ScanLogic公司的SL11等。筆者曾經(jīng)采用Atmel公司的89c51單片機和USBN9602芯片構(gòu)成系統(tǒng)，取得了良好的效果。這種方案的設(shè)計和調(diào)試比較麻煩，成本相對而言也比較高。

另一種方案是采用具備USB通信功能的單片機。隨著USB應(yīng)用的日益廣泛，Intel、SGS-Tomson、CYPRESS、PHILIPS等芯片廠商都推出了具備USB通信接口的單片機。這些單片機處理能力強，有的本身就具備多路A/D，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡單，調(diào)試方便，電磁兼容性好，因此采用具備USB接口的單片機是構(gòu)成USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較好的方案。不過，由于具備了USB接口，這些芯片與過去的開發(fā)系統(tǒng)通常是不兼容的，需要購買新的開發(fā)系統(tǒng)，投資較高。

USB的一大優(yōu)點是可以提供電源。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中耗電量通常不大，因此可以設(shè)計成采用總線供電的設(shè)備。

2.2 軟件構(gòu)成

Windows98 提供了多種USB設(shè)備的驅(qū)動程序，但好象還沒有一種是專門針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的，所以必須針對特定的設(shè)備來編制驅(qū)動程序。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標準接口函數(shù)，但編制驅(qū)動程序仍然是USB開發(fā)中最困難的一件事情，通常采用Windows DDK來實現(xiàn)。目前有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，象Compuware的driver works，Blue Waters的Driver Wizard等，它們能夠很容易地在幾分鐘之內(nèi)生成高質(zhì)量的USB的驅(qū)動程序。

設(shè)備中單片機程序的編制也同樣困難，而且沒有任何一家廠商提供了自動生成的工具。編制一個穩(wěn)定、完善的單片機程序直接關(guān)系到設(shè)備性能，必須給予充分的重視。

以上兩個程序是開發(fā)者所關(guān)心的，用戶不大關(guān)心。用戶關(guān)心的是如何高效地通過鼠標來操作設(shè)備，如何處理和分析采集進來的大量數(shù)據(jù)，因此還必須有高質(zhì)量的用戶軟件。用戶軟件必須有友好的界面，強大的數(shù)據(jù)分析和處理能力以及為用戶提供進行再開發(fā)的接口。

３ 實現(xiàn)USB遠距離采集數(shù)據(jù)傳輸

傳輸距離是限制USB在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的一個障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過幾十米，這對工業(yè)現(xiàn)場而言顯然是太短了。

現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場有大量采用RS－485傳輸數(shù)據(jù)的采集設(shè)備。RS－485有其固有的優(yōu)點，即它的傳輸距離可以達到1200米以上，并且可以掛接多個設(shè)備。其不足之處在于傳輸速度慢，采用總線方式，設(shè)備之間相互影響，可靠性差，需要板卡的支持，成本高，安裝麻煩等。RS－485的這些缺點恰好能被USB所彌補，而USB傳輸距離的限制恰好又是RS－485的優(yōu)勢所在。如果能將兩者結(jié)合起來，優(yōu)勢互補，就能夠產(chǎn)生一種快速、可靠、低成本的遠距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

這種系統(tǒng)的基本思想是：在采集現(xiàn)場，將傳感器采集到的模擬量數(shù)字化以后，利用RS－485協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳。在PC端有一個雙向RS－485～USB的轉(zhuǎn)換接口，利用這個轉(zhuǎn)接口接收485的數(shù)據(jù)并通過USB接口傳輸至PC機進行分析處理。而主機向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的過程正好相反：主機向USB口發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過485～USB轉(zhuǎn)換口轉(zhuǎn)換為485協(xié)議向遠端輸送，如圖3所示。

在圖3的方案中，關(guān)鍵設(shè)備是485～USB轉(zhuǎn)換器。這樣的設(shè)備在國內(nèi)外都已經(jīng)面市。筆者也曾經(jīng)用NATIONAL SEMICONDUCTOR公司的USBN9602+89c51+MAX485實現(xiàn)過這一功能，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

需要特別說明的是，在485～USB轉(zhuǎn)換器中，485接口的功能和通常采用485卡的接口性能（速率、驅(qū)動能力等）完全一樣，也就是說，一個485～USB轉(zhuǎn)換器就能夠完全取代一塊485卡，成本要低許多，同時具有安裝方便、不受插槽數(shù)限制、不用外接電源等優(yōu)點，為工業(yè)和科研數(shù)據(jù)采集提供了一條方便、廉價、有效的途徑。

４ 綜合式采集數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)

現(xiàn)在的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常有分布式和總線兩種。采用USB接口易于實現(xiàn)分布式，而485接口則易于實現(xiàn)總線式，如果將這兩者結(jié)合起來，則能夠?qū)崿F(xiàn)一種綜合式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實現(xiàn)方法是：仍然利用上面提到過的USB～485轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。由于USB的數(shù)據(jù)傳輸速率大大高于485，因此在每條485總線上仍然可以掛接多個設(shè)備，形成了圖4所示的結(jié)構(gòu)，其中D代表一個設(shè)備。

這種傳輸系統(tǒng)適用于一些由多個空間上相對分散的工作點，而每個工作點又有多個數(shù)據(jù)需要進行采集和傳輸?shù)膱龊希绱笮图Z庫，每個糧倉在空間上相對分散，而每個糧倉又需要采集溫度、濕度、二氧化碳濃度等一系列數(shù)據(jù)。在這樣的情況下，每一個糧倉可以分配一條485總線，將溫度、濕度、二氧化碳濃度等量的采集設(shè)備都掛接到485總線上，然后每個糧倉再通過485總線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議傳輸?shù)絇C機，多個糧倉的傳輸數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議后可以通過Hub連接到一臺PC機上。由于糧倉的各種數(shù)據(jù)監(jiān)測實時性要求不是很高，因此采用這種方法可以用一臺PC機完成對一個大型糧庫的所有監(jiān)測工作。

５ 前景展望

USB設(shè)備的應(yīng)用目前在國外處于高速發(fā)展階段，在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)起步。我們在USB數(shù)據(jù)采集、USB工業(yè)控制等領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果，在現(xiàn)實中得到成功的應(yīng)用。

即將出臺的USB2.0協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率高達480Mbps，如此高的傳輸速率能用于1.0的傳輸速率所無法滿足的地方，如高實時性要求的工業(yè)設(shè)備控制、動態(tài)圖像實時傳輸?shù)取ｋS著時代的進步和技術(shù)的發(fā)展，USB必將在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應(yīng)用。

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