USB在同步相量測(cè)量單元中的應(yīng)用

　　同步相量測(cè)量單元(PMU)測(cè)量裝置與上位計(jì)算機(jī)之間的通訊速率普遍較低，不能將測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理，通訊接口已成為整個(gè)系統(tǒng)性能提高的一個(gè)瓶頸，因此有必要使用一種傳輸速率、時(shí)延、穩(wěn)定性均能滿(mǎn)足同步相量測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌凇?/P>

　　采用USB接口作為上位機(jī)與下位機(jī)的通訊接口方式可以解決這些問(wèn)題。利用USB接口中斷傳輸速率大，時(shí)延小，差錯(cuò)率極低的特點(diǎn)來(lái)完成實(shí)時(shí)相量數(shù)據(jù)的傳輸。在USB接口的實(shí)際應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)是最為困難的部分，由于USB接口誕生較晚，目前尚未成為多數(shù)單片微機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，還需要使用專(zhuān)門(mén)的接口芯片進(jìn)行連接，用戶(hù)必須編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合USB系統(tǒng)協(xié)議的格式進(jìn)行傳輸。

　　本文敘述了ATMAGE128單片機(jī)使用PDIUSBD12接口芯片完成USB接口數(shù)據(jù)通訊的過(guò)程。通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)相關(guān)硬件設(shè)備的操作。該驅(qū)動(dòng)程序完成USB接口的中斷傳輸功能，用戶(hù)調(diào)用通用命令就可以像使用一個(gè)普通的存儲(chǔ)器一樣使用USB接口芯片。該接口實(shí)現(xiàn)了各采樣點(diǎn)的低延時(shí)上傳功能，可以在1ms內(nèi)完成一個(gè)工頻周期全部采樣值的傳輸。

　　2 USB系統(tǒng)及其器件選擇介紹

　　2.1 USB體系概述

　　USB(Universal Serial Bus)是一種通用串行總線(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中總線(xiàn)的一致性，由COMPAQ/ INTEL/MICRSOFT和NEC等公司共同開(kāi)發(fā)出的一種新的、快速的、雙向的、同步傳輸?shù)牟⒖梢詿岚尾宓臄?shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)USB總線(xiàn)。USB總線(xiàn)由以下四個(gè)主要部分構(gòu)成：①主機(jī)和設(shè)備：是指USB系統(tǒng)中的主要構(gòu)件。②物理構(gòu)成：是指USB元件的連接方法。③邏輯構(gòu)成：不同的USB元件所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧拓?zé)任，以及從主機(jī)和設(shè)備的角度出發(fā)USB總線(xiàn)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。④客戶(hù)軟件與設(shè)備功能接口的關(guān)系。

　　USB總線(xiàn)有四種數(shù)據(jù)傳輸方式：①控制傳輸：主要用于主機(jī)把命令傳給設(shè)備以及設(shè)備把狀態(tài)返回給主機(jī)。②中斷傳輸：用來(lái)支持那些偶然需要少量數(shù)據(jù)通信，但服務(wù)時(shí)間受限制的設(shè)備。③批量傳輸：用來(lái)傳輸大量的數(shù)據(jù)而沒(méi)有周期和傳輸速率的設(shè)備上。批量傳輸方式并不能保證傳輸?shù)乃俾?，但可以保證傳輸?shù)目煽啃?，?dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候會(huì)要求發(fā)送方重發(fā)。④同步傳輸：以一個(gè)恒定的速率進(jìn)行傳輸。同步傳輸?shù)姆绞降陌l(fā)送和接收方都必須保證傳輸速率的匹配，不然會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。

　　2.2 USB器件簡(jiǎn)介及應(yīng)用

　　實(shí)現(xiàn)USB傳輸?shù)姆椒ㄖ饕惺褂媒涌谵D(zhuǎn)換芯片和專(zhuān)用的接口芯片兩種。前者就是將USB接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口使用，在操作方式和傳輸速度上與RS232接口完全相同。后者則可以實(shí)現(xiàn)真正的USB傳輸，使用USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片如PDIUSBD12可以達(dá)到最高12Mb/s的傳輸速率，使用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片如ISP1581則可以達(dá)到480Mb/s的傳輸速率。如果要使用專(zhuān)用的USB接口芯片就必須編寫(xiě)相應(yīng)的下位機(jī)與上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，由于USB傳輸不同于串口傳輸，USB傳輸?shù)姆绞蕉际峭ㄟ^(guò)協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)包來(lái)完成的，所以下位機(jī)的軟件必須實(shí)現(xiàn)對(duì)接口器件的硬件管理功能，及對(duì)協(xié)議發(fā)出的各種請(qǐng)求作出響應(yīng)。而上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序需完成對(duì)接口芯片的枚舉、地址分配等工作。

　　2.3 USB接口在本系統(tǒng)中的作用

　　USB接口在本系統(tǒng)中用來(lái)完成下位機(jī)與上位機(jī)的通訊，具體就是連接AVR單片機(jī)與PC，將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)及一些相關(guān)信息傳送到PC進(jìn)行處理。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括：①電壓值(每周期采樣64個(gè)點(diǎn)，12位數(shù)據(jù))。②電流值(每周期采樣64個(gè)點(diǎn)，12位數(shù)據(jù))。③同步時(shí)間信號(hào)(取自GPS)。

　　上位機(jī)在接收到這些信息后將會(huì)對(duì)其進(jìn)行描點(diǎn)，故障錄波，遠(yuǎn)程傳送等處理。12位的電壓電流數(shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)變換，成為16位數(shù)據(jù)，占一個(gè)字節(jié)。每通道1秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在6KB以上，多個(gè)通道合計(jì)，接口的傳輸速率至少要40KB/s，這一要求已經(jīng)超過(guò)RS232接口所能提供的傳輸速率。如果使用CAN總線(xiàn)進(jìn)行傳輸，則硬件設(shè)備較為復(fù)雜。綜合比較后，采用PDIUSBD12作為接口芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是較合適的選擇。采用塑料極小封裝的PDIUSBD12可以很容易安置在電路板上。而且對(duì)上位機(jī)的要求也較為寬松，只要有USB接口的計(jì)算機(jī)都可以作為本系統(tǒng)的上位機(jī)。

　　3 ATMAGE128單片機(jī)

　　3.1 ATMAGE128單片機(jī)介紹

　　ATMAGE128單片機(jī)是由ATMEL公司出品的一款高性能低功耗的8位微型控制器，最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)16MHz。片內(nèi)集成有容量為128KB的閃存作為程序存儲(chǔ)器，4KB的EEPROM，以及4KB的片內(nèi)存儲(chǔ)器，最高可支持64KB的片外存儲(chǔ)器。

　　3.2 開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)述

　　TMAGE128的開(kāi)發(fā)一般是由ATMEL公司提供的免費(fèi)仿真工具avrstudio完成的，與常用的51單片機(jī)略有不同，使用c語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)的時(shí)候必須使用第三方編譯器對(duì)源代碼進(jìn)行編譯后才能在仿真環(huán)境下運(yùn)行。本次采用的是icc作為編譯器，本文所有的單片機(jī)程序都在此環(huán)境下運(yùn)行調(diào)試。USB接口器件采用總線(xiàn)控制方式，數(shù)據(jù)傳輸形式采用中斷傳輸。USB接口器件在使用上與一個(gè)普通的外部存儲(chǔ)器相同，所有的控制與數(shù)據(jù)傳輸都必須對(duì)ATMAGE128中相應(yīng)的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作才能完成。

　　4 USB驅(qū)動(dòng)程序MCU部分

　　MCU即設(shè)備方控制器，可以是各類(lèi)型單片機(jī)或者是PC，它們的驅(qū)動(dòng)程序在結(jié)構(gòu)上是類(lèi)似的，而具體的代碼，由于使用的系統(tǒng)環(huán)境不同，存在較大差異，下面就詳細(xì)說(shuō)明以ATMAGE128單片機(jī)作為設(shè)備方控制器的USB驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)以及具體實(shí)現(xiàn)的代碼。

　　4.1 程序整體結(jié)構(gòu)

　　對(duì)于CPU而言，PDIUSBD12芯片與一個(gè)外部存儲(chǔ)器完全相同，CPU通過(guò)總線(xiàn)控制的方式對(duì)PDIUSBD12進(jìn)行操作。USB接口的傳輸并不會(huì)占用許多CPU資源，CPU可以執(zhí)行前臺(tái)操作，而USB接口傳輸?shù)墓ぷ鲃t在后臺(tái)完成，兩者之間通過(guò)中斷服務(wù)程序連接。當(dāng)PDIUSBD12 從USB 收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，那么就對(duì)CPU 產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，CPU 立即響應(yīng)中斷。在ISR中固件將數(shù)據(jù)包從PDIUSBD12 內(nèi)部緩沖區(qū)移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并在隨后清零PDIUSBD12 的內(nèi)部緩沖區(qū)以使能接收新的數(shù)據(jù)包CPU 可以繼續(xù)它當(dāng)前的前臺(tái)任務(wù)直到完成，然后返回到主循環(huán)檢查循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)是否有新的數(shù)據(jù)，并開(kāi)始其它的前臺(tái)任務(wù)。無(wú)論是上傳或者下載數(shù)據(jù)都是對(duì)循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主循環(huán)只要檢查循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)是否有要處理的新數(shù)據(jù)。程序整體結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。

　　各模塊分工如下：

　　(1)硬件提取層：對(duì)單片機(jī)的I/O口、數(shù)據(jù)總線(xiàn)等硬件接口進(jìn)行操作。

　　(2)PDIUSBD12命令接口：對(duì)PDIUSBD12器件進(jìn)行操作的模塊子程序集。

　　(3)中斷服務(wù)程序：當(dāng)PDIUSBD12向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，讀取PDIUSBD12的中斷傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)處理。

　　(4)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序：對(duì)USB的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求進(jìn)行處理。

　　(5)廠(chǎng)商請(qǐng)求處理程序：對(duì)用戶(hù)添加的廠(chǎng)商請(qǐng)求進(jìn)行處理。

　　(6)主循環(huán)程序：發(fā)送USB請(qǐng)求、處理USB總線(xiàn)事件和用戶(hù)功能處理等。

　　圖1 USB驅(qū)動(dòng)MCU整體結(jié)構(gòu)圖

　　4.2 硬件提取層相關(guān)程序

　　硬件提取層執(zhí)行對(duì)單片機(jī)I/O口、數(shù)據(jù)總線(xiàn)等的操作，包含向PDIUSBD12發(fā)送數(shù)據(jù)或命令的子程序及從PDIUSBD12讀取數(shù)據(jù)的子程序，該部分代碼需對(duì)地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行直接操作。PDIUSBD12的任何操作都是由命令指令和數(shù)據(jù)指令組合完成的，通過(guò)改變A0引腳的電平就可以完成命令模式/數(shù)據(jù)模式的切換。

　　4.3 命令接口

　　該部分是由一系列命令接口子程序構(gòu)成的，包含了所有PDIUSBD12給出的訪(fǎng)問(wèn)功能接口的命令。在命令接口中調(diào)用了硬件提取層中的子程序。PDIUSBD12的所有功能都必須由類(lèi)似的方法完成，先發(fā)送一條命令，然后寫(xiě)該命令的具體參數(shù)。有的命令參數(shù)是多個(gè)字節(jié)的，如設(shè)置模式命令，此時(shí)就必須調(diào)用兩次寫(xiě)數(shù)據(jù)線(xiàn)的指令。命令接口程序的編寫(xiě)格式相對(duì)固定，按照PDIUSBD12說(shuō)明書(shū)中給出的命令匯總表依次編寫(xiě)即可。

　　4.4 中斷服務(wù)程序

　　中斷服務(wù)程序代碼處理由PDIUSBD12產(chǎn)生的中斷，它將數(shù)據(jù)從PDIUSBD12內(nèi)部的緩沖區(qū)內(nèi)取出，并建立正確的標(biāo)志，通知主循環(huán)進(jìn)行處理。當(dāng)PDIUSBD12向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求后，單片機(jī)調(diào)用讀取中斷寄存器的標(biāo)準(zhǔn)命令接口子程序d12_readinterruptregister( )來(lái)決定中斷源，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序進(jìn)行處理。中斷服務(wù)程序從PDIUSBD12收集數(shù)據(jù)，而主循環(huán)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)中斷服務(wù)程序收集到足夠的數(shù)據(jù)時(shí)，它通知主程序已經(jīng)做好準(zhǔn)備等待處理。例如在發(fā)送數(shù)據(jù)包階段建立包時(shí)，中斷服務(wù)程序?qū)⒔蛿?shù)據(jù)都存入緩沖區(qū)內(nèi)，然后將setup_packet標(biāo)志送到主循環(huán)，這樣主循環(huán)就可以節(jié)省不必要的服務(wù)時(shí)間。

　　4.5 總線(xiàn)復(fù)位和掛起

　　當(dāng)接收到總線(xiàn)復(fù)位或掛起的請(qǐng)求時(shí)，中斷服務(wù)程序?qū)us_set或suspends標(biāo)志位置位，然后退出。

　　控制傳輸總是由建立階段開(kāi)始，之后為可選的數(shù)據(jù)階段，然后結(jié)束于狀態(tài)階段。單片機(jī)需通過(guò)選擇控制輸出端點(diǎn)來(lái)提取建立包的內(nèi)容來(lái)決定端點(diǎn)是為滿(mǎn)還是為空。如果控制端點(diǎn)是為滿(mǎn)，單片機(jī)將從緩沖區(qū)內(nèi)讀出內(nèi)容并將其存入存儲(chǔ)區(qū)。之后，單片機(jī)將從存儲(chǔ)區(qū)使主設(shè)備請(qǐng)求生效。如果是一個(gè)有效的請(qǐng)求，單片機(jī)需向控制端點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答建立命令，以重新使能下一個(gè)建立階段。接下來(lái)單片機(jī)需要證實(shí)傳輸是控制讀還是寫(xiě)，這可以通過(guò)建立包重定向的請(qǐng)求類(lèi)型位來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　建立階段結(jié)束后，主機(jī)就會(huì)執(zhí)行數(shù)據(jù)階段。PDIUSBD12等待接收控制輸入包。單片機(jī)首先需要讀取最后處理狀態(tài)寄存器清零中斷標(biāo)志位。確認(rèn)PDIUSBD12處于傳輸模式后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

　　當(dāng)下一個(gè)控制輸入標(biāo)志來(lái)到時(shí)，單片機(jī)將確定剩余的字節(jié)是否為零。如果已經(jīng)沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，單片機(jī)需要發(fā)送一個(gè)空的包以指示主機(jī)數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。如果建立包的為獲得描述符請(qǐng)求，那么建立包中的控制傳輸將指示此包為控制寫(xiě)類(lèi)型。在執(zhí)行完獲得描述符請(qǐng)求過(guò)程后，單片機(jī)處于等待數(shù)據(jù)階段。主機(jī)發(fā)送一個(gè)控制輸出的標(biāo)志，單片機(jī)從PDIUSBD12緩沖區(qū)內(nèi)減去數(shù)據(jù)。此時(shí)單片機(jī)確認(rèn)PDIUSBD12是否處于USB接收模式，然后單片機(jī)通過(guò)檢查選擇控制輸出端點(diǎn)確認(rèn)緩沖區(qū)是否已滿(mǎn)，并將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)內(nèi)讀出。