采用USB接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)樁基測(cè)試數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)

作者：劉彩麗，張為公，趙馬泉

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中一般通過(guò)PCI口、ISA口或是RS 232串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，但是這些傳統(tǒng)的接口存在著體積龐大、共享性差、電磁抗干擾性弱等缺點(diǎn)，因此數(shù)據(jù)容易失真，與傳統(tǒng)的接口相比較，USB接口技術(shù)以其即插即用、熱插拔、接口體積小巧、傳輸可靠、良好的兼容性、共享式通信和低成本等優(yōu)點(diǎn)，成為外圍設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接的新型接口。

本文針對(duì)現(xiàn)有樁基測(cè)試數(shù)據(jù)采集方法的弊端和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制的需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于USB接口傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集箱之間的快速數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)各個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理（及對(duì)下位機(jī)的）控制，系統(tǒng)安全可靠。

1 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸功能的數(shù)據(jù)采集箱、上位機(jī)、無(wú)線收發(fā)模塊及接收機(jī)組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集箱采用傳感器前端+智能采集、控制單元（應(yīng)力傳感器模塊，位移傳感器模塊，振弦傳感器模塊，RS 232通信模塊，液壓控制模塊）+主控單元的架構(gòu)，主控卡為數(shù)據(jù)采集箱的核心，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信以及與智能數(shù)據(jù)測(cè)控單元的通信。各種傳感器信號(hào)首先經(jīng)過(guò)智能采集單元模塊進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換，同時(shí)與主控單元模塊通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣便于其他功能的擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)主控卡讀取來(lái)的信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給接收機(jī)，接收機(jī)再通過(guò)USB與上位機(jī)通訊。主控卡中增設(shè)有大容量NandFLASH存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)備份。當(dāng)主控卡和上位機(jī)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)失敗時(shí)，可以通過(guò)主控卡上預(yù)留的RS 232接口把FLASH存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)讀走，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)掉電后也可長(zhǎng)時(shí)間保存，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)中各模塊通過(guò)底板供電，為了抗干擾消除模塊之間電源的相互影響，每個(gè)模塊內(nèi)部對(duì)+5 V電源采用DC／DC隔離。由于在樁基施工現(xiàn)場(chǎng)一般電源不太穩(wěn)定，各種重型設(shè)備引起的干擾比較大，本系統(tǒng)各個(gè)智能采集單元相互電氣隔離，通過(guò)CAN總線進(jìn)行各模塊之間的通訊，增強(qiáng)系統(tǒng)了的安全性。數(shù)據(jù)采集箱采用4U歐式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，機(jī)箱由插槽、背板、電源模塊等構(gòu)成。由于傳輸距離要求不高，無(wú)線模塊采用的是瑞米斯公司先前生產(chǎn)的并口傳輸模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。接收機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)功能，是由Cypress公司的CY7C68013控制芯片擴(kuò)展而來(lái)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，搭建方便，能夠達(dá)到預(yù)定要求。

2 接收機(jī)設(shè)計(jì)

接收機(jī)由Cypress公司的CY7C68013芯片擴(kuò)展而來(lái)。CY7C68013包括1個(gè)8051處理器，1個(gè)串行接口引擎（SIE），1個(gè)USB收發(fā)器，8．5 KB片上RAM，4 KBFIFO存儲(chǔ)器以及1個(gè)通用可編程接口（GPIF）。智能串行接口引擎（SIE）執(zhí)行所有基本的USB功能，并將嵌入式MCU解放出來(lái)以用于實(shí)現(xiàn)專用的功能，保證其持續(xù)的高性能的傳輸速率。

2．1 硬件設(shè)計(jì)

CY7C68013有三種可用的接口模式：端口、GPIF主控和從FIFO。本系統(tǒng)采用此GPIF主控模式，GPIF作為內(nèi)部的主控制器與FIFO直接相連，通過(guò)編程來(lái)決定控制信號(hào)的輸出狀態(tài)。對(duì)于接口數(shù)據(jù)的總8位，選擇FD［7：0］引腳，并設(shè)置WORDWIDE=0?？刂戚敵鲆_CTLn被用作讀和寫(xiě)選通信號(hào)。準(zhǔn)備好輸入引腳RDYn，通過(guò)GPIF采樣，并且能強(qiáng)制進(jìn)行等待，繼續(xù)或重復(fù)等操作，直至進(jìn)入特定的狀態(tài)。GPIF地址線隨著數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生地址累加。芯片時(shí)鐘被配置為48 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘，通過(guò)IFCLK引腳輸出，見(jiàn)圖2。

2．2 程序設(shè)計(jì)

2．2．1 固件設(shè)計(jì)

固件（Firmware）直接與硬件進(jìn)行通信，主要功能是負(fù)責(zé)接受和處理主機(jī)發(fā)給設(shè)備的各種請(qǐng)求，并向主機(jī)返回設(shè)備的狀態(tài)信息。Cypress公司為了簡(jiǎn)化固件代碼的開(kāi)發(fā)過(guò)程，特別設(shè)計(jì)一個(gè)固件程序框架，框架如圖3所示。主要工作是完成初始化、USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求的處理和USB掛起電源管理服務(wù)。使用框架來(lái)構(gòu)造固件程序，首先框架初始化內(nèi)部的狀態(tài)變量，調(diào)用用戶初始化函數(shù)TD_Init（）。該函數(shù)返回后，初始化USB接口到未配置狀態(tài)并使能中斷。每隔1s進(jìn)行一次設(shè)備重枚舉，直到端點(diǎn)接受到一個(gè)SETUP包。函數(shù)TD_Init（）在框架初始化期間被調(diào)用，在設(shè)備重枚舉和任務(wù)調(diào)度啟用之前調(diào)用該函數(shù)，用來(lái)初始化用戶的全局變量。

2．2．2 驅(qū)動(dòng)程序

EZ-USB FX2的開(kāi)發(fā)包提供了一個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序（GPD），可直接在應(yīng)用程序中調(diào)用GPD函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。GPD中提供的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)獲取設(shè)備信息、上傳下載固件、讀寫(xiě)設(shè)備等操作。對(duì)GPD中的EZUSBSYS．C，EZUSBSYS．H，SOURCES進(jìn)行修改，在WindowsDDK與VC++6．0利用Build命令重新編譯即可生成驅(qū)動(dòng)程序。使用GPD前，首先在程序中包含ezusbsys．h頭文件：

#include”．．＼．．＼drives＼ezusbdrv＼ezusbsys．h”。

2．2．3 應(yīng)用程序

應(yīng)用程序通過(guò)I／O控制調(diào)用訪問(wèn)EZ-USB GPD。程序首先調(diào)用API函數(shù)Createfile（）打開(kāi)設(shè)備，并返回設(shè)備句柄，然后通過(guò)調(diào)用Win32函數(shù)DeviceIoControl（）函數(shù)向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送請(qǐng)求。

程序采用BULK方式讀數(shù)據(jù)到EZ-USB設(shè)備，主要清單如下：

2．2．4 固件下載驅(qū)動(dòng)程序

使用該芯片特有軟配置功能，將固件程序存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，當(dāng)設(shè)備接入U(xiǎn)SB電纜時(shí)，由于EZ-USB具有重新枚舉的能力，在初始化枚舉以后，用戶只需要通過(guò)Cypress公司提供的開(kāi)發(fā)軟件UsbContro1Panel中Download項(xiàng)，就可以將固件載人到控制芯片中。該方法完全是軟操作，不需要額外的硬件設(shè)備，方便程序的修改調(diào)試。

3 結(jié) 語(yǔ)

介紹了基于USB接口的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)，USB接口技術(shù)以其即插即用、穩(wěn)定的特性以及低廉的價(jià)格，得到了廣泛的應(yīng)用。該設(shè)計(jì)是樁基靜載荷測(cè)控系統(tǒng)的最新嘗試。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，在應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)定的效果，對(duì)于改善樁基測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)控、穩(wěn)定性、抗干擾性，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性提供了很好的實(shí)用價(jià)值。

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