基于双模式USB接口的多处理器数据采集系统设计

    现代军事、工业自动化设备功能不断完善、集成化程度越来越高，这就对配套的数据采集以及检测系统提出了更高要求。特别是条件恶劣、野外以及空间狭小封闭的测试环境中，不仅要求系统能够快速稳定地完成数据采集，同时更需要将采集的数据保存于大容量存储设备中，方便后续的分析处理。目前，由于高速率、低成本、易扩展的优点，USB总线已成为计算机与外设之间数据交换的主流总线协议。采用USB接口的各种大容量移动存储设备具有高速、抗震、稳定的优点，特别适用于以上的数据采集场合。

　　本文采用USB总线接口芯片CH375设计了具有主/从双模式的多单片机数据采集系统，既能完成与上位机的实时通讯，也可在环境条件恶劣时作为便携式系统完成采集数据在USB移动存储设备上的转存。

　　1 双模式USB接口芯片CH375简介

　　CH375是南京沁恒有限公司生产的USB总线通用接口芯片,支持USB-HOST主机方式与USB-DEVICE/SLAVE设备方式，并可动态切换。CH375具有8 bit数据总线，读、写、片选控制以及中断输出，可以方便地挂接到单片机等控制器的系统总线上。主机模式下，芯片还提供了串行通讯方式，控制器可以通过串口操作USB移动存储设备。此外，CH375内置了处理Mass-Storange海量存储设备的专用通讯协议固件，支持常用的USB全速设备，兼容USB2.0设备(U盘、闪盘以及USB移动硬盘)。外部控制器可以通过该芯片直接以扇区为单位进行读写操作控制。如果需要处理与PC机兼容的文件系统，可以利用厂家提供的C语言子程序库实现USB存储设备的文件级接口，从而降低开发难度、节约成本。

　　2  硬件系统设计

　　本文介绍的数据采集系统用于某型数字式随动系统的性能测试，其硬件框图如图1所示。

　　系统硬件主要由主控单片机、信号调理模块、USB通讯模块、从控单片机组以及键盘显示模块五部分构成。工作时，先由主控单片机向从控单片机组发出测试开始指令，从控单片机组完成与被测随动系统数控电路的通讯，一方面测试通讯情况是否正常，另一方面维持随动系统正常工作。通讯测试结果经串行口由从控机组送回主控机，作为性能测试的部分结果数据。随动系统正常运行后，信号调理模块将被测信号滤波整理，分批送入主控单片机的ADC输入端，主控单片机经CH375将被测数据写入USB存储设备或发送至PC机直接处理。

　　基于USB主机模式下文件级子程序库编程的需要，主控单片机采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2。该单片机工作频率可达35 MHz,具有1280 B片内RAM数据存储器与60 KB片内Flash程序存储器，8通道10 bit高速ADC，2个全双工异步串行口[4]，完全满足数据采集与CH375主/从双模式的控制要求。

　　USB主机接口电路如图2所示。CH375芯片工作于并口方式，将其TXD引脚接地，并行接口挂接到单片机系统总线上。其8 bit双向数据总线D0~D7直接与单片机的P0数据总线相连，地址输入线A0，读、写选通引脚RD、WR和片选信号CS，分别连接至单片机的P5.0~5.3引脚。中断请求输出INT连接到单片机的中断输入INT0引脚，中断请求为低电平有效。

　　从控单片机组共有4片STC12C5A60S2，每片第一串口与主控机相连，实现主、从机数据与控制传输。其中3片经并行口、1片经第二串行口与随动数控电路通讯。从控机与随动系统数控电路进行并口通讯的各信号线包括：8 bit数据总线D0～D7，通讯启动信号START，应答信号ACK，同步信号SYN，中断信号INT。

　　系统工作模式由主控单片机外接键盘动态切换。开机后默认工作于主机模式，等待USB存储设备连接。单片机检测存储设备连接并判断符合要求后，系统可正常测试采集数据，并转存于外接存储设备，供后期导入PC机分析处理。测试条件允许时，也可将系统设置为与PC机直接相连的从机模式。这时，数据采集过程完全由上位机控制，可实现较为复杂的性能参数与故障分析测试，提高工作效率。

　　3  双模式系统软件设计

　　使用51系列兼容单片机C语言编程软件Keil uVision3编写单片机程序，完成数据采集、通讯控制、数据处理等功能。主程序流程如图3所示。

　　3.1 主机模式程序设计

　　厂家提供了适用于单片机操作U盘的文件级子程序库CH375HF6.LIB，将主机模式下处理USB存储设备的API进行了封装，支持FAT12、FAT16和FAT32文件系统[5]。该文件级子程序库的所有API函数在调用后都有操作状态返回，但不一定有应答数据，API参数在CH375HF6.H文件内进行说明。调用的API子程序主要有:芯片初始化CH375Init( ),查询设备准备好CH375DiskReady(),查询存储设备信息CH375DiskQuery(),新建文件CH375FileCreate()，打开文件CH375FileOpen()，写文件数据CH375ByteWrite()，关闭文件CH375FileClose()等[6]。操作U盘存储采集数据的程序流程如图4所示。

　　采用Keil编写U盘操作程序时，需要将CH375HF6.LIB库文件和CH375HF6.H添加到项目中。主机模式单片机程序基本框架如下：

　　CH375_WR_CMD_PORT(CMD_SET_USB_MODE);

　　//设置USB工作模式

　　CH375_WR_DAT_PORT(6);

　　//模式代码，已启用的USB主机模式    DelayuS(20);

　　//延时

　　while(CH375DiskConnect( )!=ERR_SUCCESS)

　　//查询U盘是否连接

　　DelaymS(200);                    //延时，等待U盘工作正常

　　while(CH375DiskReady( )!=ERR_SUCCESS)

　　//检查U盘是否准备好

　　……

　　CH375DiskQuery( );

　　//查询U盘信息：总容量、剩余容量、文件系统

　　……

　　while ( i!=ERR_SUCCESS )

　　{strcpy( mCmdParam.Open.mPathName, "TEST" );

　　//目录名

　　i=CH375FileOpen( );}                          //打开目录

　　while(i!=ERR_SUCCESS)

　　{strcpy(mCmdParam.Open.mPathName,TESTData);

　　//输入文件名

　　i=CH375FileOpen( ); }                    //打开文件

　　……

　　mCmdParam.Write.mSectorCount=SecCount;

　　//写入所有扇区的数据

　　current_buffer=& FILE_DATA_BUF[0];

　　//设置存放数据的缓冲区的起始地址

　　CH375FileWrite( );                          //向文件写入数据

　　……

　　CH375FileClose( );                        //关闭文件

　　3.2 从机模式

　　此模式下，单片机通过CH375与PC机进行通讯，完成采集方案下载与数据上传，程序流程图如图5所示。

　　单片机重新初始化CH375并设置为设备工作模式。测试芯片正常连接后，系统可接收PC机发送的数据。主控单片机根据下载的采集方案进行采集测试，并将结果数据存入采集缓冲区，待缓冲区满，则向PC机请求上传。采集结束，数据全部上传，系统完成一个从机模式采集工作过程。从机模式单片机程序基本框架如下：

　　CH375Init();                            //初始化CH375

　　DelaymS(50);                                   //延时

　　CH375_WR_CMD_PORT(CMD_SET_USB_MODE);

　　//设置USB工作模式

　　CH375_WR_DAT_PORT(2);

　　//模式代码，已启用的内置固件USB设备模式    DelayuS(20);

　　//延时

　　CH375_WR_CMD_PORT(CMD_CHECK_EXIST);

　　//测试工作状态

　　CH375_WR_DAT_PORT(0x57);             //写入测试数据    DelayuS(10);

　　//延时

　　If(CH375_RD_DAT_PORT( )==0xA8);

　　//读出测试数据是否按位取反，判断工作状态

　　……

　　CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS);

　　//中断子程序中，读取中断状态命令

　　int_sn=CH375_RD_DAT_PORT( );            //读中断号     ……

　　if (int_sn ==USB_INT_USB_EP2_OUT)

　　CH375_WR_CMD_PORT(CMD_RD_USB_DATA);

　　//读取上位机测试方案数据并释放缓冲区

　　……

　　test_all( );                 //按下载方案测试采集数据

　　……

　　While (flag_upload == 0)                  //数据上传未结束

　　{

　　……

　　CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA 7);

　　//批量上传采集数据

　　CH375_WR_DAT_PORT(n);            //写入上传字节数

　　for (i=0;i

　　CH375_WR_DAT_PORT(*test_buf ++);

　　//上传采集结果，指针自动加1

　　……

　　}

　　……

　　if (int_sn ==USB_INT_USB_EP2_IN)

　　//中断子程序中，中断号为端点2发送数据完毕

　　CH375_WR_CMD_PORT(CMD_UNLOCK_USB);

　　//释放缓冲区

　　基于CH375双模式USB接口芯片,设计完成了主/从双模式的数据采集测试系统。充分利用接口即插即用、便携式的特点，解决了特殊环境下的测试困难问题。同时，系统具有双模式、多单片机的优势，能够满足高标准的测试需求，具有广阔的应用前景。