USB在数据采集系统中的应用.doc

文章来源 毕业论文网 usb在数据采集系统中的应用文章来源 毕业论文网 摘 要： 已成为pc标准的通用串行总线usb为多点数据采集提供了很大的便利，利用usb可以实现较传统方式更有效、更、点数更多的数据采集。本文介绍了如何利用usb接口来实现多点数据采集。    关键词： usb rs485 数据采集        在生产和科学技术研究的各行业中，常常利用pc或工控机对各种数据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，常用的有a/d卡以及422、485等总线板卡。采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内的干扰，而且由于受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。而通用串行总线（universal aerial bus，简称usb）的出现，很好地解决了以上这些冲突，很容易就能实现低、高可靠性、多点的数据采集。     usb简介    usb是一些pc大厂商，如microsoft、intel等为了解决日益增加的pc外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行的标准，自1995年在comdex上亮相以来至今已广泛地为各pc厂家所支持。现在生产的pc几乎都配备了usb接口，microsft的windows98、nt以及macos、linux、freebsd等流行操作系统都增加了对usb的支持。    1.1 usb系统的构成    usb系统主要由主控制器(host controller)、usb hub 和usb外设(peripherals node)组成系统拓扑结构，如图所示。    1.2 usb的主要优点    ·速度快。usb有高速和低速两种方式，主模式为高速模式，速率为12mbps，另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等，usb还提供低速方式，速率为1.5mb/s。    ·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。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。    ·易于扩展。通过使用hub扩展可拨接多达127个外设。标准usb电缆长度为3m（5m低速）。通过hub或中继器可以使外设距离达到30m。    ·能够采用总线供电。usb总线提供最大达5v电压、500ma电流。    ·使用灵活。usb共有种传输模式：控制传输(control)、同步传输(synchronization)、中断传输(interrupt)、批量传输(bulk)，以适应不同设备的需要。     采用usb传输的数据采集设备    2.1 硬件组成    一个实用的usb数据采集系统包括a/d转换器、微控制器以及usb通信接口。为了扩展其用途，还可以加上多路模拟开关和数字i/o端口。    系统的a/d、数字i/o的设计可沿用传统的设计方法，根据采集的精度、速率、通道数等诸元素选择合适的芯片，设计时应充分注意抗干扰的性能，尤其对a/d采集更是如此。    在微控制器和usb接口的选择上有两种方式，一种是采用普通单片机加上专用的usb通信芯片。现在的专用芯片中较流行的有national semiconductor公司的usbn9602、scanlogic公司的sl11等。笔者曾经采用atmel公司的89c51单片机和usbn9602芯片构成系统，取得了良好的效果。这种方案的设计和调试比较麻烦，成本相对而言也比较高。    另一种方案是采用具备usb通信功能的单片机。随着usb应用的日益广泛，intel、sgs-tomson、cypress、philips等芯片厂商都推出了具备usb通信接口的单片机。这些单片机处理能力强，有的本身就具备多路a/d，构成系统的电路简单，调试方便，电磁兼容性好，因此采用具备usb接口的单片机是构成usb数据采集系统较好的方案。不过，由于具备了usb接口，这些芯片与过去的开发系统通常是不兼容的，需要购买新的开发系统，较高。    usb的一大优点是可以提供电源。在数据采集设备中耗电量通常不大，因此可以设计成采用总线供电的设备。    2.2 软件构成    windows98 提供了多种usb设备的驱动程序，但好象还没有一种是专门针对数据采集系统的，所以必须针对特定的设备来编制驱动程序。尽管系统已经提供了很多标准接口函数，但编制驱动程序仍然是usb开发中最困难的一件事情，通常采用windows ddk来实现。目前有许多第三方软件厂商提供了各种各样的生成工具，象compuware的driver works,blue waters的driver wizard等，它们能够很容易地在几分钟之内生成高质量的usb的驱动程序。    设备中单片机程序的编制也同样困难，而且没有任何一家厂商提供了自动生成的工具。编制一个稳定、完善的单片机程序直接关系到设备性能，必须给予充分的重视。    以上两个程序是开发者所关心的，用户不大关心。用户关心的是如何高效地通过鼠标来操作设备，如何处理和分析采集进来的大量数据，因此还必须有高质量的用户软件。用户软件必须有友好的界面，强大的数据分析和处理能力以及为用户提供进行再开发的接口。     实现usb远距离采集数据传输    传输距离是限制usb在工业现场应用的一个障碍，即使增加了中继或hub，usb传输距离通常也不超过几十米，这对工业现场而言显然是太短了。    现在工业现场有大量采用rs485传输数据的采集设备。rs485有其固有的优点，即它的传输距离可以达到1200米以上，并且可以挂接多个设备。其不足之处在于传输速度慢，采用总线方式，设备之间相互影响，可靠性差，需要板卡的支持，成本高，安装麻烦等。rs485的这些缺点恰好能被usb所弥补，而usb传输距离的限制恰好又是rs485的优势所在。如果能将两者结合起来，优势互补，就能够产生一种快速、可靠、低成本的远距离数据采集系统。    这种系统的基本思想是：在采集现场，将传感器采集到的模拟量数字化以后，利用rs485协议将数据上传。在pc端有一个双向rs485usb的转换接口，利用这个转接口接收485的数据并通过usb接口传输至pc机进行分析处理。而主机向设备发送数据的过程正好相反：主机向usb口发送数据，数据通过485usb转换口转换为485协议向远端输送，如图3所示。    在图3的方案中，关键设备是485usb转换器。这样的设备在国内外都已经面市。笔者也曾经用national semiconductor公司的usbn9602+89c51+max485实现过这一功能，在实际应用中取得了良好的效果。    需要特别说明的是，在485usb转换器中，485接口的功能和通常采用485卡的接口性能（速率、驱动能力等）完全一样，也就是说，一个485usb转换器就能够完全取代一块485卡，成本要低许多，同时具有安装方便、不受插槽数限制、不用外接电源等优点，为工业和科研数据采集提供了一条方便、廉价、有效的途径。     综合式采集数据传输系统的实现    现在的数据采集系统通常有分布式和总线两种。采用usb接口易于实现分布式，而485接口则易于实现总线式，如果将这两者结合起来，则能够实现一种综合式的数据采集系统。实现方法是：仍然利用上面提到过的usb485转换器实现两种协议的转换。由于usb的数据传输速率大大高于485，因此在每条485总线上仍然可以挂接多个设备，形成了图4所示的结构，其中d代表一个设备。    这种传输系统适用于一些由多个空间上相对分散的工作点，而每个工作点又有多个数据需要进行采集和传输的场合，例如大型粮库，每个粮仓在空间上相对分散，而每个粮仓又需要采集温度、湿度、二氧化碳浓度等一系列数据。在这样的情况下，每一个粮仓可以分配一条485总线，将温度、湿度、二氧化碳浓度等量的采集设备都挂接到485总线上，然后每个粮仓再通过485总线传输到监控中心，并转换为usb协议传输到pc机，多个粮仓的传输数据在转换为usb协议后可以通过hub连接到一台pc机上。由于粮仓的各种数据监测实时性要求不是很高，因此采用这种方法可以用一台pc机完成对一个大型粮库的所有监测工作。     前景展望  &nb