基于USB接口的电能量测试系统.pdf

基于 U S B接口的电能量测试系统 本文利用U S B接口技术与嵌入式系统相结合 研究设计出 一个新的电能量测试系统 该系统与传统的测试系统相比 电量 测量更可靠 信息传播更快速 人机交互更便捷 1系统工作原理及硬件设计 系统基本工作原理是通过C S 5 4 6 0对相电压和相电流进行 采集计算 并将结果保 存到存储器中 工作人 员可以利用键盘选择查 看各种电量值 如瞬时 电流 有效值 瞬时电 压 有 效 值 功 率 等 MC U处理键盘命令 将 所 选 数 据 值 送 至L C D 显示 并通过U S B控制 芯片P D I U S B D 1 2实现 与上位机的数据交流 原理图见图1 1 1系统的处理器 系统采用S a ms u n g公司推出的1 6 3 2位R I S C处理器 S 3 C 4 4 B 0 X A R M7 T D MI内核 S 3 C 4 4 B 0 X提供了丰富的内置 资源 包括 8 K Bc a c h e 可选内部S R A M L C D控制器 带自动 握手的2通道U A R T 4通道D MA 存储系统管理器 P WM功 能的6通道定时器 7 1个通用I O端口 实时时钟R T C 8通道 1 0位A D C I I C B U S接口 同步S I O接口和P L L倍频器 使用 S 3 C 4 4 B 0 X处理器与传统的单片机相比 处理速度快 资源丰 富 可以嵌入较复杂的操作系统实现网络传输数据的功能 为系 统进一步向智能化 网络化发展提供了良好的物质基础 1 2系统数据计量器件 C S 5 4 6 0是美国C R Y S T A L公司出品的带有串行接口的单 相功率 电能计量芯片 最突出的特点是集成度高 内含两个 A D C 高 低通数字滤波器 能量计算单元以及串行接口和数字 一频率转换器 目前 供电部门对电网的用电考核参数越来越 多 如有功 无功 瞬时电压 瞬时电流 瞬时功率等 而C S 5 4 6 0 提供了很多的计量参数 能够满足供电部门的要求 C S 5 4 6 0基 本的工作原理是 其串行部分带有发送 接收缓冲器的状态机 状态机在S C L K上升沿解释8位命令 根据对命令的解析进而 执行相应的操作 对于数据的读写 可以通过向串口S D I引脚写 相应的8位命令来启动 例如 在读取测量数据时 可以先向串 口引脚S D I写8位读命令 然后在S D O中接收数据 图2给出了 C S 5 4 6 0 A与S 3 C 4 4 B 0 X 的 连 接 简 图 图 中 S 3 C 4 4 B 0 X的G P E 1和 G P E 2引脚配置成串口 功能 G P E 与C S 5 4 6 0 A 的 串 口 相 连 接 将 G P G 2引脚配置成外部 中 断 功 能 与C S 5 4 6 0 A 的I N T连接 1 3系统U S B接口 系统采用P h i l i p s公司生产的P D I U S B D 1 2接口芯片 内部 不含微控制器 使用时需通过8位高速并行数据线与其他微控 制器连接 支持本地D MA传输 有3个输入 输出端点 片内集 成串行接口引擎S I E F I F O存储器 收发器 电压调整器和6 4 8 MH z时钟乘法P L L 本系统使用低成本的6 MH z晶振 E MI 也随之降低 1 4其他器件 其他辅助性器件 如存储器 L C D显示器等 均可根据 S 3 C 4 4 B 0 X处理器和实现功能进行配置 本系统中存储器采用 S S T公司的S S T 3 9 V F 1 6 0的C MO S多用途F l a s h R O M L C D采 用S h a r p公司的L M0 5 7 Q C 1 T 0 1型S T N彩色液晶显示模块 2软件的设计 由于系统以S 3 C 4 4 B 0处理器为核心 需要完成数据采集计 算 显示 键盘控制以及与上位机实现通讯等功能 所以首先要 编 写S 3 C 4 4 B 0的 启 动 程 序 即 根 据 系 统 的 实 际 情 况 对 S 3 C 4 4 B 0引脚 寄存器 以及外围的存储器进行有效的配置 其 次 根据系统功能需求编写不同的功能模块 如图3所示 MC U 根据键盘输入的命令 执行不同的模块来实现多种功能 洪涛刘丽桑彭侠夫 厦门大学信息科学与技术学院 福建 厦门3 6 1 0 0 5 E l e c t r i cMo n i t o r i n gS y s t e m B a s e do nU S BI n t e r f a c e 摘要 为提升测量精度 方便数据传输管理 设计并实现了以S 3 C 4 4 B 0处理器作为控制核心 C S 5 4 6 0作为计量器件 通过 U S B接口与上位机实现数据通讯的新型电能量测试系统 重点讨论了U S B接口程序的结构与实现 实践证明系统具有广 泛的适应范围 关键词 P D I U S B D 1 2 C S 5 4 6 0 WD M驱动 数据采集 A b s t r a c t I no r d e rt oma k et h ee l e c t r i cmo n i t o rs y s t e m h a v ei mp r o v e da c c u r a c yo fme a s u r e me n t c o n v e n i e n td a t at r a n s mi s s i o n a n d c o n v e n i e n ta n df r i e n d l yh u ma n ma c h i n ei n t e r f a c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e w e l e c t r i cmo n i t o rs y s t e m w h i c hu s e sS 3 C 4 4 B 0 a sMC U C S 5 4 6 0a st h ec h i p o fme a s u r e a n d P D I U S B D 1 2a st h ec h i p o fU S B c o mmu n i c a t i o n I tf o c u s e so nt h es t r u c t u r e a n dr e a l i z a t i o no f U S Bi n t e r f a c ep r o g r a m T h ep r a c t i c es h o w st h a t t h es y s t e m h a sw i d es p h e r eo f a p p l i c a t i o n K e y w o r d s P D I U S B D 1 2 C S 5 4 6 0 WD M d a t ac o l l e c t i o n 图1系统工作原理图 图2硬件连接图 基于U S B接口的电能量测试系统3 6 工业控制计算机 2 0 0 7年2 0卷第1 1期 图3系统软件流程图 系统主要模块及功能 R E S E T模块 实现系统复位和错 误处理功能 数采模块 实现数据采集 显示 管理功能 U S B通讯模块 实现与上位机的数据或命令的传输功能 2 1MC U和U S B接口的通信程序 MC U与P D I U S B D 1 2 以下简称D 1 2 之间的通讯程序 可按 照P h i l i p s公司提供的固件协议进行编写 协议框架如图4所示 图4通信协议 1 硬件提取层 对S 3 C 4 4 B 0的I O口 数据总线等硬件接 口进行操作 为U S B通讯做好准备 2 D 1 2命令接口 U S B协议层的操作由D 1 2芯片的串行接 口引擎 P S I E 完成 可以通过指令对器件进行操作 管理 3 中断服务程序 当D 1 2向MC U发出中断请求时 MC U 将 读 取D 1 2中 断 传 输 来 的 数 据 并 设 定 事 件 标 志 E P P 2 F L A G S 和S e t u p包数据缓冲区 C O N R O L X F E R 传输 给主循环程序 程序如下 t y p e d e f u n i o n e p p f l a g s Ls t r u c t f l a g s Lu n s i g n e dc h a rt i me r P u n s i g n e dc h a rb u s r e s e t P u n s i g n e dc h a rs u s p e n d P u n s i g n e dc h a rs e t u p p a c k e t P u n s i g n e dc h a rr e mo t e w a k e u p P u n s i g n e dc h a ri n i s r P u n s i g n e dc h a rc o n t r o l s t a t e P u n s i g n e dc h a rc o n f i g u r a t i o n P u n s i g n e dc h a re p 1 r x d o n e P u n s i g n e dc h a rs e t u p d ma P u n s i g n e dc h a rd ma s t a t e P U b i t s P u n s i g n e ds h o r t v a l u e P U E P P F L A G S P t y p e d e f s t r u c t c o n t r o l x f e r L D E V I C E R E Q U E S TD e v i c e R e q u e s t P u n s i g n e ds h o r t w L e n g t h P u n s i g n e ds h o r t w C o u n t P u n s i g n e dc h a rZ p D a t a P u n s i g n e dc h a rd a t a B u f f e r MA X C O N T R O L D A T A S I Z E P U C O N T R O L X F E R P 4 标准设备请求处理程序 对U S B的标准设备请求进行处 理 其作用是获得当前U S B设备的基本配置信息 为此 在固件 程序中应声明几个结构体变量以记录设备描述符 配置描述符 字符串描述符 接口描述符和端点描述 以设备描述符为示例 t y p e d e f s t r u c t U S B D E V I C E D E S C R I P T O RL U C H A Rb L e n g t h P U C H A Rb D e s c r i p t o r T y p e P U S H O R Tb c d U S B P U C H A Rb D e v i c e C l a s s P U C H A Rb D e v i c e S u b C l a s s P U C H A Rb D e v i c e P r o t o c o l P U C H A Rb Ma x P a c k e t S i z e 0 P U S H O R Ti d V e n d o r P U S H O R Ti d P r o d u c t P U S H O R Tb c d D e v i c e P U C H A Ri Ma n u f a c t u r e r P U C H A Ri P r o d u c t P U C H A Ri S e r i a l N u mb e r P U C H A Rb N u mC o n f i g u r a t i o n s P U U S B D E V I C E D E S C R I P T O R ZP U S B D E V I C E D E S C R I P T O R P 5 厂商请求处理程序 对用户添加的厂商请求进行处理 统 一管理各个实现本系统特定功能单元的处理函数 例如 采用 D MA完成C S 5 4 6 0数据采集的函数通常采用指针数组的方式 组织 根据调用者的意愿散转到数组中各个成员函数的入口并 运行 示例如下 c o d ev o i d ZV e n d o r D e v i c e R e q u e s t v o i d Lr e s e r v e d P r e a d w r i t e C S 5 4 6 0 R S P UP 6 主程序 发出U S B数据传输请求 并处理总线事件和调 用用户自定义功能子程序 2 2上位机应用程序 在Wi n d o w s 2 0 0 0 X P下访问U S B设备需要加载相应WD M 驱动 可利用微软提供的D D K等工具编写WD M驱动 步骤是 先用Wi n d o w s D D K 设备驱动程序开发包 或第三方开发工具 如D r i v e r S t u d i o 开发U S B驱动程序 然后用V i s u a l C 编写 D L L 动态连接库 最后再调有D L L来开发应用程序 设计中使 用P h i l i p s公司提供的P D I U S B D 1 2接口芯片驱动程序 从而降 低开发难度 当检测仪接入P C的U S B接口时 操作系统将自 动识别U S B设备并加载该驱动程序 应用程序采用V C 6 0编写 通过调用A P I函数实现对U S B 接 口 的 读 写 访 问 使 用 的 主 要A P I函 数 为R e a d D a t a 和 Wr i t e D a t a 这2个A P I函数均封装在动态链接库E a s y U S B d l l 下转第6 3页 3 7 工业控制计算机 2 0 0 7年2 0卷第1 1期 上接第3 7页 当中 使用前需在类模块中申明 Wr i t e D a t a 用于向检测仪发 出读取数据的指令 R e a d D a t a 用于从U S B接口读取检测仪 发过来的数据 3结束语 系统应用于工业现场的用电数据采集与分析处理 经实践 证实其运行性能稳定 数据通讯实时可靠 与传统测试系统利用 串口与并口通讯相比 具有人机操作简明 维护成本低廉 传输 数度快的优点 并且由于系统采用S 3 C 4 4 B 0 X为核心 可以充 分利用处理器的丰富资源扩展系统测试范围 如 把温度传感器 D S 1 8 B 2 0与S 3 C 4 4 B 0的A D功能引脚相连接 在嵌入式系统 下添加A D驱动程序 即可完成温度数据的测试 具有嵌人式 微系统的典型特征和优势 参考文献 1 周立功 等 P D I U S B D 1 2 U S B固件编程与驱动开发 M 北京 中国 航空航天大学出社 2 0 0 3 2 梁冠辉 孙世宇 等 基于U S B接口数据采集器的远程应用系统设计 J 微计算机信息 2 0 0 6 2 1 1 1 9 1 2 1 3 陈龙三 8 0 5 1单片机C语言控制与应用 M 北京 清华大学出版 社 2 0 0 1 4 武安河 w i n d o w s 2 0 0 0 X P WD M设备驱动程序开发 M 北京 电子 工业出版社 2 0 0 1 5 费浙平 基于A R M的嵌入式系统程序开发要点 二 J 单片机与嵌 入式系统 2 0 0 3 9 收稿日期 2 0 0 7 4 2 0 速光电耦合器进行电气隔离 利用差动信号传输 可以有效地解 决干扰和远距离传输问题 超行程限位开关用于系统保护 该输入信号通过光电耦合 和R C滤波器连到MC A 3 1 4 A s的限位输入端 当有急停信号输 入时 将停止所有轴的驱动脉冲输出 2 3位模式插补功能 目前 运动控制主要通过单片机或者计算机实现 这种方法 的软 硬件研制周期长 严重影响系统的性能和可靠性 本文采 用的是硬件插补 缩短了软件设计周期 另外 原有的插补是根 据给定的数学函数 在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间确定 中间点的一种方法 很难得到复杂的曲线方程 而MC X 3 1 4 A s 中的位模式插补功能就能很好地解决这个问题 位模式插补是把C P U计算的插补数据以数据包的方式接 收后 以指定的驱动速度连续输出插补脉冲 简单地说 位模式 插补就是根据 方向驱动脉冲的高低电平状态来进行插补 每一位对应一个脉冲 随即驱动马达转动一步 利用位模式差补 方式可以加工出任