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适用于仪器仪表通信的若干新技术2003年10月(3)

   2.2.3 基于篮牙技术的数据采集装置

篮牙技术可以在短距离内用无线接口来代替有缆连接,因而可以取代现场仪器之间的复杂连接,这对于需要采集大量数据的测控场合非常有用。例如,数据采集设备可以集成单独的篮牙芯片,或者采用具有篮牙芯片的单片机提供篮牙数据接口。在采集数据时,这种设备就可以迅速地将所采集到的数据传送到附近的数据处理装置(例如PC、笔记本电脑、PDA)中,不仅避免了在现场铺设大量复杂连线以及对这些接线是否正确的检查与核对,而且不会发生因接线可能存在的错误而造成测控的失误。与传统的以电线或线外方式传输测控数据相比,在测控领域应用篮牙技术的优点主要表现在:

   ① 抗干扰能力强。采集测控现场数据经常遇到大量的电磁干扰,而篮牙系统因采用了跳频扩频技术,故可以有效地提高数据传输的安全性和抗干扰能力;

   ②无须铺设缆线,降低了环境改造成本,方便了数据采集人员的工作;

   ③没有方向上的限制,可以从各个角度进行测控数据的传输,可以实现多个测控仪器设备间的联网,便于进行集中监测与控制。

图5所示为应用篮牙技术构建的无线数据采集装置框图。整个装置由前端数据采集部分、处理传送部分和末端的数据接收部分(可以是PLC或PC上位机等)组成。前端数据采集部分由位于现场的传感器、A/D转换器和处理器(一般是单片机)组成。传送部分主要是利用自带微笑天线的篮牙模块进行无线的数据传输;采集到的数据信号被传送到PLC控制器或PC上位机。若篮牙模块选择爱立信ROK101 008,可支持点对点的主从方式通信。

              图5 篮牙无线数据采集装置结构

3 基于USB接口的通信

   USB(universal serial bus)即通用串行总线,它是一种应用在PC领域的新型接口技术。随着支持USB标准Windows98的出现和USB设备数量的快速增加,USB才在近年逐渐流行起来。目前普遍采用的USB1.1主要应用在中低速外部设备上,它提供的传输速度有低速1.5Mbps和全速12Mbps两种,一个USB端口可同时支持全速和低速的设备访问。目前,USB在自动化控制领域主要用于数据采集系统,由PC作为USB主机端,单片机作为USB设备端。

3.1 USB数据传输方式

   USB通过主机上客户软件的内存缓冲区和USB设备上端点之间的管道来传送数据。它提供有4种传输方式:控制传输、同步传输、中断传输和批量传输。控制传输发送设备请求信息,主要用于读取设备配置信息和设备状况,设置设备地址和设备属性、发送控制命令等功能;同步传输提供了确定的带宽和时间间隔,常被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输,或者用于要求恒定的数据传输率的即时应用中;中断传输主要用来支持那些偶尔需要对少量数据进行通信,但服务时间却受限的设备;批量传输主要用于大批量的数据传输,同时又没有带宽和时间间隔的要求,但是USB只能在满足带宽的情况下才进行批量传输。

3.2 USB外围设备的设计方案

   目前用于USB外围设备设计的方案有两种:一种是采用普通单片机外加USB接口器件;另一种是采用具有USB接口的单片机。

3.2.1 普通单片机外加USB接口器件

USB接口器件只用于处理USB通信,它必须由一个外部单片机来控制。通过USB接口器件可以把USB端口接到任何类型的单片机上,这种实现USB接口的模块化设计方法使得设计者可自由选择合适的单片机。

目前市场上已有很多公司提供USB接口器件,Philips公司的PDIUSBD12是一款性价比高、带并行总线的USB接口器件,它集成了SIE(串行接口引擎)、FI-FO(先进先出)存储器、收发器及电压调节器,可与任何单片机实现高速并行接口;其主端点的双缓冲配置增加了数据的吞吐量,从而可以轻松地实现实时数据传送;可通过软件控制与USB的连接,支持双电源(即3.3V和扩展的5V)操作;具有高纠错率的全扫描设计确保了其高品质。

3.2.2具有USB接口的单片机

随着USB应用的日益广泛和流行,Intel、Cypress等单片机厂商推出了具有USB接口的单片机,这类单片机处理能力强,有的本身就具备多路A/D、D/A,采用这类单片机构成系统的电路简单、调试方便、电磁兼容性好。因此采用具有USB接口的单片机成了开发USB外设的较好方案。不过由于增加了USB接口,这类单片机与原先的开发系统一般不完全兼容,需要购买新的开发套件,需要新的投资。

Cypress半导体公司作为USB市场的著名厂商,开发的EZ-USB FX2成了世界上第一款USB2.0集成微控制器。它包括1个增强型8051单片机、1个串行接口引擎(SIE)、1个USB收发器、片上RAM、FIFO存储器以及1个通用可编程接口。FX2提供了一个全面集成的解决方案,它不仅可减少电路板空间,而且大大缩短了产品的上市时间。

FX2拥有一个独特的架构,其智能串行接口引擎在硬件层上处理USB1.1和USB2.0协议的大部分内容,因此外设产品设计人员不必为增加产品的USB功能而学习USB协议,从而使产品开发变得更加容易,同时减轻了单片机的负担,而让智能串行接口引擎从硬件上保证更高的传输率。FX2通用可编程接口(GPIF),允许它“无胶粘接”,即可与任何ASIC或DSP进行接口,并且它还支持所用通用总线标准,包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。FX2完全适用于USB2.0,并向下兼容USB1.1。

3.3  USB在测控领域的应用

2001年9月的《Test  and  Measurement World》进行了一次针对测量应用中PC用户的未来需求调查,该调查显示越来越多的用户期望使用USB接口将他们的仪器及数据采集设备连接到PC。

下面以图6所示的实例,说明基于单片机的数据采集设备与USB专用芯片PDIUSBD12的接口。图中的80C51单片机与PDIUSBD12通过高速的并行接口进行通信,速率可达2MB/s。对于80C51而言,PDIUS-BD12仅仅是具有8位数据总线的一个地址比特的存储设备。80C51将A/D采集到的数据保存到扩展的数据存储器中,然后通过USB接口将数据存储器中的数据传送到PC。

             图6  PDIUSBD12与单片机接口示意图

由于80C51是一种广泛使用的单片机,既能利用80C51中丰富的软、硬件资源,又可利用USB总线技术的“即插即用”、热插拨等特性,从而开发出很好的USB功能设备,并可降低开发设备的成本,缩短开发周期。

USB通信的软件设计包括单片机部分的固件部分和主机(PC)的驱动程序部分。对于单片机控制程序,由于目前没有任何厂商提供自动生成固件(firmware)的工具,因此所有程序都需要手工编制。对USB的单片机控制程序通常由三部分组成:


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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