引言

在許多工業(yè)控制和數據采集系統(tǒng)中，為了實現系統(tǒng)的小型化和便攜化，通常采用上下位機形式的主從式結構。

由于MCU（微控制器）成本低，編程靈活、方便，實時性強，且具有一定的智能，因而通常使用它作為下位機的主控芯片，負責對現場數據的采集與傳輸，并控制相應的執(zhí)行機構。上位機一般使用普通的PC機、筆記本電腦或工控機，負責對下位機傳來的數據進行分析處理, 并根據處理結果控制下位機的操作。上下位機之間的數據通信接口目前一般使用RS-232和USB總線接口標準，相對于RS-232，USB 具有高速傳輸、熱插拔、即插即用等優(yōu)點。在本系統(tǒng)中，為了保證下位機高速采樣數據能及時傳送給上位機進行分析處理，我們采用USB總線來實現上下位機的數據傳輸。

1 系統(tǒng)的硬件構成

系統(tǒng)主要由PC機，高性能C8051F020微控制器(MCU),USB接口插頭，USB100模塊。圖1是其系統(tǒng)構成框圖。

1.1 C8051F020微控制器[1]

我們選擇美國Silicon公司的微控制器（MCU）C8051F020（簡稱F020）作為數據采集系統(tǒng)的CPU。F020是一種混合信號SOC型8位單片機，它有一個8通道的、轉換速率為100Kbps的12位ADC，以及一個8通道的、轉換速率為500Kbps的8位ADC；2個12位DAC；64KB FlashRom,4KBRAM；有22個中斷源和5個定時器/計數器。該MCU屬于C8051FXXX系列中的F02x子系列,其性能價格比在目前應用領域極具競爭力，它具有以下主要特點：1）芯片采用高速流水線結構；2）先進的JTAG調試接口；3）可靠的安全機制可利用JTAG編程加密芯片；4）強大的控制功能。有多達64個I/O線，有獨特數字交叉開關(digital crossbar)，允許將內部數字系統(tǒng)資源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引腳；5）有多達22個中斷源。

1.2 USB100[2-3]

USB100內部封裝了USB1.1的全部協議，并帶有384字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和128字節(jié)的接收緩沖區(qū)，8位并行數據接口。對USB的操作編程類似對外部存儲器的操作，由于該模塊完成了全部USB協議的轉換和封裝，使得對USB的開發(fā)和應用過程變得非常簡單，用戶只要在PC機上安裝USB100模塊驅動程序以后，對其編程可以按照與串口完全一樣的方法來完成。USB100主要的管腳及功能如表1 所示（未列出的管腳為空腳）。

表1 USB管腳功能和定義

如圖2所示，當檢測到USB100模塊TXE為低時，表示內部發(fā)送緩沖區(qū)允許發(fā)送數據，可以將數據通過8位數據總線D0～D7發(fā)送給USB100模塊，發(fā)送數據鎖存由WR控制（邊沿觸發(fā)）；當TXE為高時，禁止發(fā)送數據。

如圖3所示，當檢測到USB100模塊RXF為低時，表示內部接收緩沖區(qū)有來自USB端口的數據可通過8位數據線將數據讀入，接收數據鎖存器由RD控制（邊沿觸發(fā)）。

USB100模塊的數據線D0～D7與F020的P4端口相連，P2.4～P2.7分別與USB100模塊的TXE、RXF、WR、RD相連。

2 系統(tǒng)通信的設計[4－6]

動態(tài)測試儀的任務主要是進行數據采集和定時/計數，并將這些數據傳給上位機進行數據處理，這就要求上下位機之間的通信有清晰、準確的通信協議，來保證數據通信能夠有條不紊地進行。

為了滿足上、下位機軟件的可擴展性和通用性，通信協議采用數據幀的形式傳輸信息。協議幀格式見表2，它由起始符、長度碼、幀信息、幀校驗和終止符組成，成幀過程中采用了字符插入法和HEX校驗。

表2 協議幀格式

1）成幀方式

協議幀使用“DLE STX”作為起始符，使用“DLE ETX”作為終止符，并采用字符插入法保證通信信息的正確。字符插入法的實現方法為：發(fā)送方搜索起始符和終止符間每個字節(jié)信息，若為“DLE”，即在該字節(jié)信息后插入一個“DLE”。接收方接收信息后也要搜索整個幀，若查找到連續(xù)兩個“DLE”，即將后一個 “DLE”刪除，還原成原信息內容。

2）幀校驗算法

協議幀采用HEX校驗保證通信信息的正確。HEX校驗的填充在字符插入之前實現，HEX校驗的驗證在插入字符刪除之后實現。實現方法為：發(fā)送方計算起始符和終止符間待發(fā)送數據的校驗和，然后將256與該校驗和的差填充于“HEX校驗”字節(jié)處。接收方計算起始符和終止符間包括HEX字節(jié)在內的接收數據校驗和，若為0，則校驗通過。

3 系統(tǒng)軟件設計[5－7]

F020有8通道100Kbps、12位精度的ADC0以及8通道500Kbps、8位精度的ADC1。考慮到系統(tǒng)靈活性，我們編程使得通道選擇，采樣時間，采樣周期，開關量的狀態(tài)由用戶在上位機上指定，然后以命令字傳給下位機，具體為：用兩個字節(jié)分別表示該通道是否被選中，每個字節(jié)位上為1表示該通道被選中，否則不被選中。用3個字節(jié)存放采樣周期，其最小單位為50微妙（即最大采樣速率為20K bps），5個字節(jié)存放采樣時間，一個字節(jié)用于開關量的通斷狀態(tài)，為1則接通，反之為切斷。

3.1 下位機軟件

為減輕下位機的任務，其采集的原始數據直接送給上位機進行處理，下位機的任務就是進行數據采集，并把所采集的數據通過USB100傳給上位機，以保證下位機有高的采樣速率。下位機的工作流程見圖4。

3.1.1 下位機發(fā)送數據子程序

函數: Send_AD_Result();

參數: 無

功能: 將AD轉換結果組成幀后,以幀格式發(fā)送給上位機

void Send_AD_Result (void){

if(txe==0){

wr=0;

for(i=0;i

wr=1;

PORT4=MyData[i];/*數據順序存放在內存MyData中*/

wr=0;

}

}

}

3.1.2 下位機接收數據子程序

同理，當MCU檢測到USB100 模塊RXF 為低時，表示內部接收緩沖區(qū)有來自USB100端口的數據，可以通過八位數據總線D0～D7 將數據讀出。

函數: ReceiveData()

參數: 無

功能: 查看PC端是否有數據送來，如有，則置收到數據標志

void ReceiveData (void){

rd=1;

if(rxf==0){/*數據緩沖區(qū)有數據*/

DataNumber+=0x01;//接收數據長度加1

rd=0; //讀操作，低電平有效

Receive_Data=PINB;//接收數據

rd=1;

}

3.2 上位機軟件

用戶在PC機上安裝USB100模塊驅動程序之后，該USB100默認成該PC的一個虛擬串口，因此在上位機可以將它當作一個串口進行處理。上位機軟件開發(fā)是用VB完成的，與下位機的通信使用串口控件MSComm。上位機的主要功能有：

1) 采樣通道以及開關量的設置，輸入模擬量的選擇（電壓、電流，電阻），變換器輸出的單位選擇。

2) 對下位機傳來的原始數據進行處理，并根據傳感器參數轉換為對應的實際測量值。

3) 實時在計算機屏幕上顯示采樣曲線，并把所采集的數據存入數據庫，以便能夠隨時查閱。

4) 對采集的數據進行頻譜分析，并將分析結果以曲線形式顯示在屏幕上。

4 結束語

我們采用USB100 專用模塊和C8051F020高速嵌入式MCU設計的測試儀，不僅滿足現場數據采集以及相應的控制，而且方便與筆記本電腦或臺式機構建虛擬儀器系統(tǒng)。我們在上位機軟件設計時考慮到其通用性，根據實際需求選用不同的傳感器，在上位機上進行相應的選擇，就能得到所需的測量數據及曲線，因而該測試儀有較強的通用性。本測試儀經過兩年多來的實際運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足用戶需求。

參考文獻：

[1] 潘琢金，施國君. C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用. 北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[2] 迅通科技. USB100數據手冊[M]. 哈爾濱：迅通科技有限公,2002.

[3] 馮國飛,宋蘊興. 基于USB數據采集卡的設計與實現[J]. 微計算機信息，2005.11：75－76

[4] 張厚武，姚凱學. 基于C8051F020微控制器的動態(tài)測試儀的設計[J]. 機械與電子，2006(8):12-14.

[5] 陳建平,姚凱學,等. 通用動態(tài)測試系統(tǒng)的設計與實現. 貴州大學學報(自然科學版), 2004,21(1):79-82.

[6] 謝瑞和.串行技術大全.北京：清華大學出版社,2003.4

[7] 鄭阿奇，曹戈.Visual Basic實用教程 北京：電子工業(yè)出版社，2003.