USB技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀中的應(yīng)用

討論通用串行總線(USB)技術(shù)應(yīng)用于便攜式電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的可行性，并介紹了系統(tǒng)的硬件、固件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法，最后給出了其性能測(cè)試結(jié)果。

現(xiàn)在市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品多采用RS-232方式通訊，但這種產(chǎn)品已漸露弊端。首先，RS-232在當(dāng)前微機(jī)規(guī)范中逐漸隱退。第二，現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)產(chǎn)品已經(jīng)朝著多功能的方向發(fā)展。已不單一的檢查表誤差，許多CT/PT負(fù)荷、二次壓降、諧波分析、波形圖、負(fù)荷曲線等功能都已經(jīng)整合到現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)產(chǎn)品當(dāng)中。功能的增加意味著存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的急劇膨脹，而RS-232低的傳輸速率和難以保證通訊可靠性的特點(diǎn)決定了它不再是一個(gè)合適的解決方案。第三，采用RS-232方式的現(xiàn)校儀在和PC通訊的時(shí)候必須外加電源。

經(jīng)過(guò)比較論證發(fā)現(xiàn)，USB作為近年出現(xiàn)的一種代表微機(jī)接口發(fā)展方向的新型總線規(guī)范，其便捷易用、速度快、可靠性高等特點(diǎn)，使之非常適合作為現(xiàn)校儀的接口。目前大多數(shù)臺(tái)式計(jì)算機(jī)都具有四個(gè)以上的USB端口，筆記本電腦也都有兩個(gè)以下的USB端口，USB規(guī)范規(guī)定每個(gè)端口提供5V、500mA的電量也恰好可以提供給現(xiàn)校儀而無(wú)須增加外接電源.

USB本身的控制協(xié)議較為復(fù)雜，需要使用相應(yīng)的USB接口芯片。本設(shè)計(jì)采用了Philips公司的PDIUSBD12(簡(jiǎn)稱D12)，其優(yōu)點(diǎn)是可以選擇合適的微控制器及其開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行外設(shè)開發(fā)。

D12內(nèi)部集成了串行輸入引擎(SIE)、320字節(jié)的多結(jié)構(gòu)FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器，支持DMA方式，采用雙緩沖區(qū)技術(shù)，遵從USB1.1標(biāo)準(zhǔn)。芯片中串行輸入引擎(SIE)模塊起著至關(guān)重要的作用，完成所有USB協(xié)議層功能，如同步模式識(shí)別、并/串轉(zhuǎn)換、位填充/解填充、CRC檢驗(yàn)/產(chǎn)生、包PID產(chǎn)生/確認(rèn)、地址識(shí)別、握手信號(hào)包響應(yīng)產(chǎn)生等。另外，D12還集成了SoftConnect、GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。

1.1引腳功能

PDIUSBD12的引腳排列如圖1所示，功能如下：

VCC：接+5V電源；GND：接地；如要使器件工作在3.3V，則VCC、Vout3.3都為3.3V。DATA〈0〉～DATA〈7〉：雙向數(shù)據(jù)總線。ALE：地址鎖存使能。在多路地址數(shù)據(jù)總線中，下降沿關(guān)閉地址鎖存；在單地址/數(shù)據(jù)總線配置中接地。CSN：片選端，低電平有效。SUSPEND：器件處于掛起狀態(tài)，高電平有效。CLKOUT：可編程時(shí)鐘輸出。INTN：中斷輸出，低電平有效。RDN、WRN：讀/寫使能。DMREQ：DMA請(qǐng)求。DMACKN：DMA應(yīng)答，低電平有效。EOTN：DMA傳輸結(jié)束，低電平有效；EOTN僅當(dāng)DMACKN和WRN或RDN一起激活時(shí)才有效。RESETN:復(fù)位端，低電平有效；使用片內(nèi)復(fù)位電路時(shí)接高電平。GLN：Goodlink LED指示器，低電平有效。XTAL1、XTAL2：晶振連接端，可采用外部時(shí)鐘信號(hào)代替晶振。D+、D-：USB數(shù)據(jù)線。A0：A0=1選擇命令指令，A0=0選擇數(shù)據(jù)；該位在多路地址/數(shù)據(jù)總線配置時(shí)可接高電平。

1.2命令匯總

PDIUSBD12芯片中集成了串行輸入引擎(SIE)模塊，它完成所有USB協(xié)議層的功能、大大簡(jiǎn)化了USB的固件開發(fā)，開發(fā)人員只需使用D12提供的命令即可。D12命令如1表所示。

思達(dá)公司生產(chǎn)的電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀中使用P89C51RD2作為主控制器。P89C51RD2是Philips公司生產(chǎn)的51增強(qiáng)型的CPU，它除具備標(biāo)準(zhǔn)51的功能外，在片內(nèi)集成了64KB FLASH和1KB RAM，可以在20MHz外頻下以每機(jī)器周期為6個(gè)時(shí)鐘周期的速度運(yùn)行。P89C51RD2與PDIUSBD12的接口方法見圖1。

由圖可知P89C51RD2通過(guò)IO口同D12的片選、地址位信號(hào)相連，外部中斷響應(yīng)來(lái)自D12的中斷請(qǐng)求，D12的操作地址可以任意指定。

所謂固件程序就是固化在程序存儲(chǔ)器中的程序代碼。本系統(tǒng)存儲(chǔ)在P89C51RD2的Flash存儲(chǔ)器中，固件開發(fā)使用Keil C51語(yǔ)言，開發(fā)平臺(tái)為μVision2集成開發(fā)環(huán)境。

本設(shè)計(jì)參考了Philips公司提供的D12固件程序范例，對(duì)USB協(xié)議操作的相關(guān)代碼直接移植使用，而數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)等部分則自主開發(fā)。

固件程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件抽象層對(duì)D12的數(shù)據(jù)讀、寫以及各種指令的寫入進(jìn)行函數(shù)封裝；D12命令接口層對(duì)D12的所有控制指令的函數(shù)進(jìn)行封裝；USB向量請(qǐng)求模塊完成USB上電配置、向量請(qǐng)求等各類事件的響應(yīng)處理；USB協(xié)議層包括對(duì)USB協(xié)議操作的封裝以及對(duì)USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求的響應(yīng)；中斷服務(wù)進(jìn)程包括USB中斷、ADC中斷等。

當(dāng)D12有事件需要處理時(shí)，將觸發(fā)微控制器外部中斷0，微控制器讀取D12的中斷狀態(tài)寄存器，判斷中斷的來(lái)源并作出相應(yīng)的處理。若由數(shù)據(jù)端點(diǎn)觸發(fā)，則相應(yīng)地讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)；若由控制端點(diǎn)0觸發(fā)，則判斷請(qǐng)求的類型。標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求由USB協(xié)議處理模塊處理，用戶自定義向量請(qǐng)求由USB向量請(qǐng)求模塊處理。

在Windows環(huán)境下，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序遵循WDM(Win32 Driver Mode)方式。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并兼顧驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行效率，筆者選用了DriverStudio2.7工具軟件中的DriverWorks組件進(jìn)行USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。DriverWorks為WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)提供了完善的支持。其中包含一個(gè)非常完善的源代碼生成工具DriverWizard以及相應(yīng)的類庫(kù)和驅(qū)動(dòng)程序范例，它還支持在C++下進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。通過(guò)DriverWizard生成的代碼只需要進(jìn)行少量的修改就可以使用，這使得驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者可以將精力集中在驅(qū)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)上，而不必理會(huì)太多的WDM開發(fā)細(xì)節(jié)。

本設(shè)計(jì)在DriverWizard的最后自定義了四個(gè)IOCTL接口對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行控制，如表2所示。然后在自動(dòng)生成的驅(qū)動(dòng)程序代碼中向相應(yīng)的IOCTL函數(shù)添加代碼，用函數(shù)BuildVerdorRequest構(gòu)建USB協(xié)議的自定義向量請(qǐng)求(Vendor Request)。由編譯修改后的源代碼即可得到驅(qū)動(dòng)程序文件McaD12.SYS。

我們已成功地將USB技術(shù)應(yīng)用在一款現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)產(chǎn)品上。測(cè)試儀器通過(guò)USB向PC傳輸?shù)乃俾蔬_(dá)到12～14kbyte/s。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試知，該通訊方式傳輸率高、容錯(cuò)性強(qiáng)，方便使用，整個(gè)開發(fā)過(guò)程獲得了成功，并具有一定的創(chuàng)新性。對(duì)本系統(tǒng)編譯稍加修改便可應(yīng)用于其他基于微機(jī)的數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)中。