USB总线在远程抄表系统中的应用

　  1 前  言

　　随着供水部门、供电部门、供气部门对“一户一表”工程改造的推进，以及对自动化的要求，远程自动抄表系统已成为水、电、气自动化管理和智能化控制不可缺少的组成部分。

　　采用集中抄表系统能够杜绝人工抄表产生的误抄、漏抄、估抄等人为错误,提高工作效率，减轻劳动强度，减员增效。一般抄表系统采用RS485总线，然后通过485/232模块与监控计算机连接，计算机通过串口轮巡采集电表数据。由于串口速度慢，这成为抄表系统传输速率提高的瓶颈,而使用485/usb模块，能很好的解决这个问题，USB 1.1规范的最高传输速率为12 Mb/s。USB总线除了用于外围设备和PC机之间的连接之外，在其它领域也有广泛应用，包括测量和自动化应用。

　　2 硬件设计：

　　模块的硬件包括: 微控制器、RS485 总线通信接口和USB 通信接口，如图1：

　　RS485定义了一个基于单对平衡线的多点、双向（半双工）通信链路，采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线,每次通信只能有一个主站，适合轮巡方式通信。RS485收发器采用TI公司的75LBC184,它使用单电源供电，电压在+3-+5.5V范围都能正常工作，能完成TTL与RS485之间的转换。在电路中，使用了TLP521进行隔离，提高了系统的可靠性。

　　USB 通信接口采用PDIUSBD12，负责与上位机和微处理器进行信息交换。PDIUSBD12是PHILIPS公司推出的一种价格便宜、功能完善的USB并行接口芯片，支持多路复用、非多路复用和DMA并行传输，它遵从USB1.1协议，适合于不同用途的传输类型。PDIUSBD12需要外接微控制器来进行协议处理和数据交换，对MCU没有特殊要求，接口方便灵活。微处理器采用P89C51RD 单片机。

　　3 系统软件设计：

　　3.1 RS485软件子程序设计：

　　RS485软件编程非常简单，它使用处理器的串口。数据到来时存放到串口缓冲区中，并产生串口中断。

　　RS485协议只是物理层，上层协议需要用户自己定义。 由于介绍RS485总线的文章很多，其他程序略。

　　3.2 USB软件设计：

　　USB设备与主机通过四根线连接，电源、地，以及两根数据线，该模块使用计算机提供的5v电源。连接速度由D+ , D-连线上的电阻位置决定的, 如果D+ 线上有上拉电阻, USB 设备为全速设备,如果D-连线上有上拉电阻, 则USB 设备为低速设备。PDIUSBD12 的softconnect 技术在片内集成了1.5k的上拉电阻, 可以通过微处理器发送命令来控制D+上的上拉电阻是否与电源连接。

　　在usb设备中，我们使用描述符区别不同的设备、端口等。描述符主要包括设备描述符、配置描述符、接口描述符，在设备中预先设置这些参数，主机通过对这些描述符的读取，获得该设备的信息。

　　当一个设备刚插入计算机时，主机需要对该设备枚举，读取该设备的相关参数，首先使用默认的设备地址0进行通信。主机端先向设备地址0，端点0发送Get_Descriptor(获取描述符)请求来查询接入什么样的设备，设备使用设备描述符回答，然后通过发送Set_Address(设定地址)请求来分配一个单独的地址给设备。设备读取这个请求，返回一个确认且保存新的地址。主机给新地址发送一个Get_Descriptor请求来读取这个设备完整的描述符，包括端点最大包的大小，设备支持的配置号，以及该设备的其它信息，主机将这些信息用于往后的通信中。而后发出Get_configuration_Descriptor(获取配置描述符)命令，用来获取设备的节点和端点的配置信息。而后发出（Set_configuration）设定配置请求，以该配置号配置设备。设备就完全正确处于可操作状态，完成了枚举过程，便可以通过端点进行数据传输了。

　　以下是主设备读取从设备描述符的过程

　　主机发起的setup包，使用默认的地址0，端点0。其中SYNC字段为同步序列数据域，固定为01H,紧接着为标识符数据域PID字段，用来表示数据封装包的类型，可分为令牌、数据、握手或特殊四种封装包类型。其中令牌封装包细分为OUT,IN,SETUP,SOF四种封装格式。随后为地址数据域ADDR字段，用来寻址高达127个外围设备，每个设备只有对应唯一的地址，ENDP字段为端点数据域，最多可寻址32个端点，它仅在IN,OUT,SETUP令牌封装包中，最后为CRC校验和。

　　主机发送数据，其中数据域中的数据80表示设备标准请求，06描述符命令（get_descriptor）00 01 代表请求设备的描述符，00 00为语言类型,40 00,指出期望从设备返回的数据个数，如果描述符的个数大于指定的字节个数，则按照指定个数返回，如果描述符小于指定的字节数，返回实际的字节个数。

　　该帧为设备收到数据后的确认帧

　　该帧为向设备发送数据请求。

　　12为描述符长度，01为设备类型，10 01 为usb版本号，bcd码，这里是usb1.1,00 为设备类型码，00为子类设备代码，00为USB分配的设备协议代码，10为端点0最大包的大小，d8,0d为厂商编号，01 c0为产品编号，04 01为设备出厂编号，01为厂商字符串索引，02 为产品字符串索引，00为序列号，01为设置编号。

　　在主程序中完成对系统、PDIUSBD12的初始化，以及完成对d12的枚举，将数据的发送接收都放在中断程序中。PDIUSBD12有3组端点，使用默认端点0和端点2。将端点2作为数据传输的通道，当PDIUSBD12从USB收到一个数据包时，就对CPU产生一个外部中断请求，CPU立即相应中断，在中断服务子程序中，将数据包从PDIUSBD12内部缓冲区移到循环数据缓冲区中,随后清零PDIUSBD12的内部缓冲区，对数据校验，如果接收得数据正确，直接调用RS485数据发送子程序，将数据发送到RS485网络。

　　3.3 计算机软件设计：

　　计算机软件主要包括，驱动的设计，动态连接库的设计。驱动程序采用飞利浦提供的驱动，上位机程序使用api函数并封装RS485总线的上层协议，提供给用户使用的接口。本例采用VC编写用户程序和动态连接库。从驱动中读数据的程序如下，

　　void   readdata(unsigned char *rec)

　　{   unsigned char outbuf[105];

　　HANDLE hFile, hDevice=0;

　　BOOL bResult;

　　ULONG nBytes = 25;

　　hFile = open_file("PIPE02");

　　if(hFile == INVALID_HANDLE_VALUE)

　　{return;}

　　hDevice = open_dev();

　　bResult = ReadFile(hFile,outbuf,10,&nBytes,NULL);

　　if(bResult==FALSE)

　　{ DeviceIoControl(hFile,IOCTL_D12_RESET_PIPE,0,0,0,0,&nBytes,NULL); }

　　CloseHandle(hFile);

　　CloseHandle(hDevice);

　　}

　　在使用这个函数的时候，只需要添加如下说明。

　　extern "C" DllImport void readdata ( unsigned char * );

　　4 结  论

　　由于采用了USB总线,克服了原来使用RS232接口速度慢的瓶颈，提高了远程抄表系统的数据传输速率，该方案已经成功的得到应用，稳定可靠,有广阔的应用前景。