基于双模式USB接口的多处理器数据采集系统设计

现代军事、工业自动化设备功能不断完善、集成化程度越来越高，这就对配套的数据采集以及检测系统提出了更高要求。特别是条件恶劣、野外以及空间狭小封闭的测试环境中，不仅要求系统能够快速稳定地完成数据采集，同时更需要将采集的数据保存于大容量存储设备中，方便后续的分析处理[1]。目前，由于高速率、低成本、易扩展的优点，USB总线已成为计算机与外设之间数据交换的主流总线协议。采用USB接口的各种大容量移动存储设备具有高速、抗震、稳定的优点，特别适用于以上的数据采集场合。
　本文采用USB总线接口芯片CH375设计了具有主/从双模式的多单片机数据采集系统，既能完成与上位机的实时通讯，也可在环境条件恶劣时作为便携式系统完成采集数据在USB移动存储设备上的转存。
1 双模式USB接口芯片CH375简介
　CH375是南京沁恒有限公司生产的USB总线通用接口芯片,支持USB-HOST主机方式与USB-DEVICE/SLAVE设备方式，并可动态切换。CH375具有8 bit数据总线，读、写、片选控制以及中断输出，可以方便地挂接到单片机等控制器的系统总线上。主机模式下，芯片还提供了串行通讯方式，控制器可以通过串口操作USB移动存储设备。此外，CH375内置了处理Mass-Storange海量存储设备的专用通讯协议固件，支持常用的USB全速设备，兼容USB2.0设备(U盘、闪盘以及USB移动硬盘)[2]。外部控制器可以通过该芯片直接以扇区为单位进行读写操作控制。如果需要处理与PC机兼容的文件系统，可以利用厂家提供的C语言子程序库实现USB存储设备的文件级接口，从而降低开发难度、节约成本。
2  硬件系统设计[3]
   本文介绍的数据采集系统用于某型数字式随动系统的性能测试，其硬件框图如图1所示。

　系统硬件主要由主控单片机、信号调理模块、USB通讯模块、从控单片机组以及键盘显示模块五部分构成。工作时，先由主控单片机向从控单片机组发出测试开始指令，从控单片机组完成与被测随动系统数控电路的通讯，一方面测试通讯情况是否正常，另一方面维持随动系统正常工作。通讯测试结果经串行口由从控机组送回主控机，作为性能测试的部分结果数据。随动系统正常运行后，信号调理模块将被测信号滤波整理，分批送入主控单片机的ADC输入端，主控单片机经CH375将被测数据写入USB存储设备或发送至PC机直接处理。
　基于USB主机模式下文件级子程序库编程的需要，主控单片机采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2。该单片机工作频率可达35 MHz,具有1280 B片内RAM数据存储器与60 KB片内Flash程序存储器，8通道10 bit高速ADC，2个全双工异步串行口[4]，完全满足数据采集与CH375主/从双模式的控制要求。
　USB主机接口电路如图2所示。CH375芯片工作于并口方式，将其TXD引脚接地，并行接口挂接到单片机系统总线上。其8 bit双向数据总线D0~D7直接与单片机的P0数据总线相连，地址输入线A0，读、写选通引脚RD、WR和片选信号CS，分别连接至单片机的P5.0~5.3引脚。中断请求输出INT连接到单片机的中断输入INT0引脚，中断请求为低电平有效。

　从控单片机组共有4片STC12C5A60S2，每片第一串口与主控机相连，实现主、从机数据与控制传输。其中3片经并行口、1片经第二串行口与随动数控电路通讯。从控机与随动系统数控电路进行并口通讯的各信号线包括：8 bit数据总线D0～D7，通讯启动信号START，应答信号ACK，同步信号SYN，中断信号INT。
　系统工作模式由主控单片机外接键盘动态切换。开机后默认工作于主机模式，等待USB存储设备连接。单片机检测存储设备连接并判断符合要求后，系统可正常测试采集数据，并转存于外接存储设备，供后期导入PC机分析处理。测试条件允许时，也可将系统设置为与PC机直接相连的从机模式。这时，数据采集过程完全由上位机控制，可实现较为复杂的性能参数与故障分析测试，提高工作效率。
3  双模式系统软件设计
   使用51系列兼容单片机C语言编程软件Keil uVision3编写单片机程序，完成数据采集、通讯控制、数据处理等功能。主程序流程如图3所示。

3.1 主机模式程序设计
　厂家提供了适用于单片机操作U盘的文件级子程序库CH375HF6.LIB，将主机模式下处理USB存储设备的API进行了封装，支持FAT12、FAT16和FAT32文件系统[5]。该文件级子程序库的所有API函数在调用后都有操作状态返回，但不一定有应答数据，API参数在CH375HF6.H文件内进行说明。调用的API子程序主要有:芯片初始化CH375Init( ),查询设备准备好CH375DiskReady(),查询存储设备信息CH375DiskQuery(),新建文件CH375FileCreate()，打开文件CH375FileOpen()，写文件数据CH375ByteWrite()，关闭文件CH375FileClose()等[6]。操作U盘存储采集数据的程序流程如图4所示。

   采用Keil编写U盘操作程序时，需要将CH375HF6.LIB库文件和CH375HF6.H添加到项目中。主机模式单片机程序基本框架如下：
   CH375_WR_CMD_PORT(CMD_SET_USB_MODE);
                                  //设置USB工作模式
   CH375_WR_DAT_PORT(6);
                     //模式代码，已启用的USB主机模式    DelayuS(20);

                  //延时
    while(CH375DiskConnect( )!=ERR_SUCCESS)
                                     //查询U盘是否连接
    DelaymS(200);                    //延时，等待U盘工作正常
    while(CH375DiskReady( )!=ERR_SUCCESS)
                                 //检查U盘是否准备好
    ……
    CH375DiskQuery( ); 
             //查询U盘信息：总容量、剩余容量、文件系统
    ……
    while ( i!=ERR_SUCCESS )
    {strcpy( mCmdParam.Open.mPathName, "\TEST" );
                                            //目录名
    i=CH375FileOpen( );}                          //打开目录
    while(i!=ERR_SUCCESS)
    {strcpy(mCmdParam.Open.mPathName,TestData); 
                                          //输入文件名
    i=CH375FileOpen( ); }                    //打开文件
    ……
    mCmdParam.Write.mSectorCount=SecCount; 
                                 //写入所有扇区的数据
    current_buffer=& FILE_DATA_BUF[0];
                     //设置存放数据的缓冲区的起始地址
    CH375FileWrite( );                          //向文件写入数据
    ……
    CH375FileClose( );                        //关闭文件
3.2 从机模式
    此模式下，单片机通过CH375与PC机进行通讯，完成采集方案下载与数据上传，程序流程图如图5所示。

　单片机重新初始化CH375并设置为设备工作模式。测试芯片正常连接后，系统可接收PC机发送的数据。主控单片机根据下载的采集方案进行采集测试，并将结果数据存入采集缓冲区，待缓冲区满，则向PC机请求上传。采集结束，数据全部上传，系统完成一个从机模式采集工作过程。从机模式单片机程序基本框架如下：
    CH375Init();                            //初始化CH375
    DelaymS(50);                                   //延时
    CH375_WR_CMD_PORT(CMD_SET_USB_MODE);
                                       //设置USB工作模式
    CH375_WR_DAT_PORT(2);
               //模式代码，已启用的内置固件USB设备模式    DelayuS(20);

                                    //延时
    CH375_WR_CMD_PORT(CMD_CHECK_EXIST);
                                         //测试工作状态
    CH375_WR_DAT_PORT(0x57);             //写入测试数据    DelayuS(10);   

                                     //延时
    If(CH375_RD_DAT_PORT( )==0xA8);
              //读出测试数据是否按位取反，判断工作状态
    ……
    CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS); 
                       //中断子程序中，读取中断状态命令
    int_sn=CH375_RD_DAT_PORT( );            //读中断号     ……
    if (int_sn ==USB_INT_USB_EP2_OUT)
    CH375_WR_CMD_PORT(CMD_RD_USB_DATA);
                 //读取上位机测试方案数据并释放缓冲区
    ……
    test_all( );                 //按下载方案测试采集数据
    ……
    While (flag_upload == 0)                  //数据上传未结束
    {
    ……
     CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA 7);
                                     //批量上传采集数据
     CH375_WR_DAT_PORT(n);            //写入上传字节数
    for (i=0;i<n;i++)                      //每次上传n字节
      CH375_WR_DAT_PORT(*test_buf ++);
                           //上传采集结果，指针自动加1
    ……
    }
    ……
    if (int_sn ==USB_INT_USB_EP2_IN)
           //中断子程序中，中断号为端点2发送数据完毕
    CH375_WR_CMD_PORT(CMD_UNLOCK_USB);
                                          //释放缓冲区
    基于CH375双模式USB接口芯片,设计完成了主/从双模式的数据采集测试系统。充分利用接口即插即用、便携式的特点，解决了特殊环境下的测试困难问题。同时，系统具有双模式、多单片机的优势，能够满足高标准的测试需求，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]   薛小铃,李丽华.一种U盘存储的数据采集系统的设计[J].闽江学院学报, 2008,29(5):44-47.
[2]   南京沁恒电子有限公司.USB总线接口芯片CH375中文手册[EB /OL].[2005].http://wch.cn/download/ch375ds1.pdf
[3]   蒋乐涛.某型数字化随动系统分析及调测系统设计[D]. 南京：南京理工大学,2008.
[4]   宏晶科技有限公司.STC12C5A60S2系列单片机器件手册[EB/OL].[2009.6]. http://www.mcu-memory.com/
datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C5A60S2.pdf
[5]   汤剑灵,高玉.USB通信芯片CH375在数据交换中的应用[J].电子工程师,2007,33(10).
[6]   位耀东,马海涛,董春波.基于双模式USB接口的便携式比色计设计[J].微计算机信息,2009,25(6-2).