一、前言:
---- 中高速、高精度连续采样系统由于采集的数据量大www.cechina.cn,通常将控制和数据通道部分做成板卡的形式,占用PC的一个ISA或PCI总线扩展槽,通过ISA或PCI总线的高速数据传输率(往往通过上述总线的DMA模式)实现PC与采样系统的大容量数据交换。但是,这种内置式形式很容易受到PC机箱内高频干扰的影响,降低系统的采样精度和稳定性。如果能够将整个系统做成外置式形式,不仅能够提高系统的采样精度和稳定性,还能增强系统的灵活性控制工程网版权所有,同时还有利于系统的维护。
---- 普通的外置式采样系统一般通过RS-232C与PC连接,由于PC机的限制,RS-232C最高数据传输率不超过115KBPS(基于串口芯片16550,如基于8250,则最高仅有9600BPS),同时传输的距离也不会超过15米。对于中高速、高精度连续采样系统,其每秒的数据传输量最小为(100kHz采样率,10位采样精度):100K×10=1000K,若RS-232C以115KBPS与采样系统交换数据,则需约1000K/115K=8.7s的传输时间,采样系统与PC接口速度的瓶颈作用会导致一部分数据的丢失,失去连续采样的意义。
二、USB接口的特点:
---- USB技术由三部分组成:具有USB接口的PC系统、能够支持USB的系统软件和使用USB接口的设备。现在www.cechina.cn,586以上的PC机大多数都具有USB接口,微软推出的WIN98操作系统也全面支持USB设备。USB设备受到人们的瞩目,是由于USB不仅改变了以往串行总线低速的局面,同时还引入许多串行总线技术不具有的新特性。USB 1.1规范支持低速1.5Mb/s和高速24Mb/s的数据传输率。
---- USB总线控制协议要求在数据发送时含有3个描叙数据类型、发送方向和终止标志、USB设备地址的数据包,因此,USB可通过菊花链的形式同时挂接多个USB设备。USB设备在发送数据时支持数据侦错和纠错功能,增强了数据传输的可靠性。USB还具有一些新的特性,如:共享性(一个物理设备可以使用许多不同的pipe)、实时性(可以实现和一个设备之间有效的实时通信)、动态性(可以实现接口间的动态切换)、联合性(不同的而又有相近的特性的接口可以联合起来)、多能性(各个不同的接口可以使用不同的供电模式)、自动性(缺省的pipe的使用使基系统的建立和配置变得自动并且快速)。
三、外置式采样系统的硬软件设计:
---- 采用INTEL公司的8X930AX系列的USB控制器作为采样系统的控制芯片,该芯片是以广泛流行的8XC251SX系列的微控制器为MCU核心,因此,它使用与MCS51兼容的MCS251的指令系统。该芯片工作在12MHz的工作频率,具有11个中断源,其中有三个分配给USB设备。该芯片集成的USB接口符合USB 1.0标准,支持高速(12MBPS)和低速(1.5MBPS)的数据传输率,并可工作在同步和异步这两种数据传输方式下。8X930AX除了增加了USB接口外,同时也在8XC251SX基础上作了许多大的改进,如1K的片上数据RAM,支持高达256K外部程序/数据存储空间,片上ROM可最高达到8K容量,为采样系统的开发提供了许多便利之处。对熟悉MCS-51单片机系统的开发人员可非常迅速掌握该芯片的程序设计工作。本系统的硬件设计框图如图1所示。
图1:外置式采样系统的硬件框图
---- 传感器部分可根据所采量的特点选择设计,对于需长距离传输的模拟量最好采用电流传输的方式,也就是将采样处的各种环境量(如温度,湿度,压力等)通过变换为电流的形式以便于长距离的传输,同时要注意传输线的屏蔽,以防传输过程的外界干扰。
---- 本系统选用的是TI的TLV2548构成的A/D转换板,它具有最高200KSPS的采样率,12位的采样精度控制工程网版权所有,具有8个输入通道。
---- CPU1、CPU2是以INTEL的8X830AX为核心的采样控制板,8X930AX与普通的MCS51系列的单片机相比,只是增加了USB接口。所以,控制板的设计可参考普通MCS51单片机的设计。但由于单片机自身的局限性,它不能实现多条指令的并发机制,所以,当单片机系统完成采样过程并存储在有限容量的外部数据RAM中,一旦外部数据RAM满,则单片机必须停止采样的取数据过程,进行数据的转发,即转向将存在外部数据RAM的数据传输给PC机保存并处理。因此,如果仅靠一个单片机系统是难以实现连续不间断的数据采样,这可以通过两个单片机系统的协同处理来解决这个矛盾CONTROL ENGINEERING China版权所有,如图1所示。C1,C2是两个单片机系统的协