USB总线在便携式数控测井系统中的应用

1 引言

    随着测井技术的飞速发展，各种测井数据的实时采集和处理在现代测井系统中已必不可少。传统的地面数据采集系统与主机之间的通信模式是采用PCI总线或RS-232串行总线。PCI总线虽然有很高的传输率，且支持“即插即用”，但是它的扩展槽相当有限，且插拔不方便，不适合便携式系统的要求；RS-232串行总线虽然连接方便，但是带宽非常有限，传输速率较低。为了克服以上通信方式的缺点，要求寻找一种新的通信方式进行数据传输，而通用串行总线USB的出现很好地解决了这些问题，很容易就能实现低成本、高可靠性、高速率的数据通信。

2 USB总线简介

    USB的优点：

    ①速度快。USB接口的最高传输率可达12 Mb／s；提供低速方式，速率为1.5 Mb／s。扣除用于总线状态控制和错误检测等数据传输，最大理论速度也能达到1．2 Mb／s和9．6 Mb／s。

    ②设备安装和配置容易。安装USB设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备完全不用关闭计算机。所有USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。

    ③易于扩展。通过使用Hub扩展可连接多达127个外设。标准的USB电缆长度为3m(低速为5m)，通过Hub或者中继器可使外设距离达到30m。可以使用多种连接方式进行扩展。

    ④采用总线供电。USB总线可为连接在其上的设备提供5V电压／lOOmA电流的供电。USB设备也可采用自供电方式，或者两者结合的方式。

    ⑤使用灵活。USB共有4种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，以适应不同设备的需要。

3 硬件电路设计

    由测井仪器送至地面的信号有三类：模拟信号、脉冲信号以及编码信号，所以地面数据采集系统首先对这三种不同的信号进行预处理，然后送至各自的通道进行数据采集再通过USB总线将数据传送至上位机进行实时的处理。系统硬件框图如图1所示。

图1系统硬件框图

    由井下传送至地面的模拟信号、脉冲信号、编码信号分别经过相应接口面板的凋理后，进入A／D转换器(MAXl97)、脉冲计数器(82C54)、解调器，在CPU的控制下，实现控制算法，进行相应的数据采集、解码，并将采集到的数据存放在相应的RAM中。另一方面，CPU还要完成USB协议处理、响应USB接口芯片的中断处理、完成数据交换，同时还有一些附加功能(如驱动数控面板的LCD显示等)，由于单片机自身资源的有限，仅仅使用一片单片机难以胜任，为此我们扩展了一片单片机(两片单片机均为AT89S52)，采用多单片机分配任务、协同工作，让一片单片机实现采集控制，另外一片实现USB协议下的实时数据通信。

    使用多单片机固然能按要求实现任务，但两片单片机之间的数据通信问题也随之而来。传统的多单片机之间的通信是通过串口来实现的。但在设计中，由于采集单片机的数据量非常大，若使用串口进行通信，由于单片机的串行寄存器SBUF只能保留一个字节的数据，必然造成采集数据的严重丢失或错误。针对这样问题，在设计中采用了采集单片机与通信单片机之间通过双端口RAM(ID’F7132)共享数据的方案，它一方面可以存储采集单片机采集到的数据，另一方面可以实现两单片机之间的高速、实时数据通信。

    USB接口芯片采用Philips公司的PDIUS—BDl2(简称D12)，可以实现4种不同的模式：非同步模式、同步输出模式、同步输入模式以及同步输入／输出模式。D12与通信CPU的电路连接如图2所示。

图2 AT89S52与PDIUSBDl2的接口电路图

这里D12使用的是多路地址／数据总线配置方式，单片机的INT—N应配置为电平触发中断。D12在ALE下降沿的时候对单片机的输出地址进行锁存。这种方式下，单片机也是使用指令MOVX对D12进行操作，倘若输出的地址为奇数表示对D12发送指令，输出的地址为偶数时，则表示对D12进行数据传输。D12的地址由片选信号(P2的任一口线)决定。USB设备采用自供电方式，将EOT引脚需要通过串联电阻连接到Vbus上，使用EOT来检测USB总线是否连接上，只有连接上USB总线，单片机发送的命令才有效。[page]

4 软件设计

    4.1 固件程序的设计

    固件程序是指被固化到AT89S52中FLASH中的程序，它是设备运行的核心，其主要功能是控制USB接口芯片接收并处理USB驱动程序的请求(如请求设备描述符、请求或设置设备状态、请求设备设置、请求或设置设备接口等USB标准请求)；控制USB接口芯片接收应用程序的控制指令；将存储在双口RAM中的数据通过USB控制器实时上传至PC。

    USB控制器的工作原理是：当USB控制器从USB总线检测到主机启动的某一传输请求时，USB控制器通过中断方式将此请求通知USB接口系统，接口系统通过访问USB控制器的状态寄存器获得与此传输有关的各种参数，并根据具体传输参数，对USB控制器的控制寄存器和数据寄存器进行相应的操作，以完成主机的传输请求。

    4.2 设备驱动程序的设计

    USB驱动程序是支持即插即用功能的标准WDM驱动程序，结构如图3所示。Windows对构成一个USB总线主机的不同软件部分进行了十分清楚的划分，其中USB总线客户软件包含了用来控制不同USB总线外设的设备驱动程序，它通过Windows所定义的软件接口与根集线器驱动程序进行通信，而USB根集线器驱动程序则要通过包含在USBD中的USBDI(通用串行总线驱动程序接口)实现与通用串行总线驱动程序(USBD)的通信。然后，USBD会选择两种主控制器驱动程序(HCD)之一同其下方的主控制器进行通信。最后，主控制器驱动程序会赢接实现对USB物理总线的访问(通过PCI枚举器软件)。

图3 USB驱动程序体系结构

    开发设备驱动程序需要专门的开发工具，目前常用的开发工具有Windows DI)K和Driver—Studio。NuMega公司开发的DriverStudio是一个强大的开发工具包，它包括VtoolsD、Driver—Works、DriverNetworks和调试工具SoftlCE等等。用DriverWorks开发基于WDM的USB设备驱动程序时，将自动生成WDM的工程文件，通常包括5个*．h和2个*．cpp文件，此外还自动生成*．inf文件，开发者只要根据自己的需要稍做修改即可。

    ·USBLOG．cpp：包括DriverEntry()、LoadRegisrtyParameters()、AddI)evice()例程，主要实现初始化设备的功能。

    ·USBLOGDevice．cpp：主要实现电源管理、系统控制、设备的移除、设备的开始等功能。

    ·USBLOG．inf：设备的安装文件，说明设备的安装信息。

    4.3 应用程序的设计

    应用软件由两部分组成：动态链接库和应用程序。动态链接库负责与内核态的USB功能驱

    动程序通信并接收应用程序的各种操作请求，而应用程序负责对地面系统采集、处理的各种数据进行实时绘图显示、分析、打印和存盘等。软件设计可以采用Visual C++等。

5 结束语

    将USB技术应用到便携式数控测井系统中，可以使上、下位机之间的数据传输速率和误码率得到明显的改善，传输速率能达到8Mbps以上，误码率能降至10-7以下。应用USB技术，可以大大降低数据的丢失率，使采集的数据得到实时显示，同时，为便携式数控测井系统接口的简便化、高速化和可靠性打下坚实的基础。