基于USB的樁基靜載荷無線測控系統設計

0 引 言
??? 現代工業生產中一般通過PCI口、ISA口或是RS 232串行接口進行數據通訊，但是這些傳統的接口存在著體積龐大、共享性差、電磁抗干擾性弱等缺點，因此數據容易失真，與傳統的接口相比較，USB接口技術以其即插即用、熱插拔、接口體積小巧、傳輸可靠、良好的兼容性、共享式通信和低成本等優點，成為外圍設備與計算機進行連接的新型接口。
??? 本文針對現有樁基測試數據采集方法的弊端和實時數據監測和控制的需要，設計了一個基于USB接口傳輸的實驗系統，此系統能夠實現上位機與數據采集箱之間的快速數據傳輸，實現上位機對各個通道的數據進行分析、管理(及對下位機的)控制，系統安全可靠。

1 測控系統設計
??? 該系統由負責實現采集、存儲、數據傳輸功能的數據采集箱、上位機、無線收發模塊及接收機組成。結構如圖1所示。數據采集箱采用傳感器前端+智能采集、控制單元(應力傳感器模塊，位移傳感器模塊，振弦傳感器模塊，RS 232通信模塊，液壓控制模塊)+主控單元的架構，主控卡為數據采集箱的核心，實現與上位機的通信以及與智能數據測控單元的通信。各種傳感器信號首先經過智能采集單元模塊進行信號調理、A／D轉換，同時與主控單元模塊通過CAN總線進行數據傳輸，這樣便于其他功能的擴展。經過主控卡讀取來的信號通過無線傳輸模塊發送給接收機，接收機再通過USB與上位機通訊。主控卡中增設有大容量NandFLASH存儲器，實現傳感器采集數據的存儲備份。當主控卡和上位機無線傳輸數據失敗時，可以通過主控卡上預留的RS 232接口把FLASH存儲器內的數據讀走，FLASH存儲器內的數據掉電后也可長時間保存，增強了系統的可靠性。

??? 系統中各模塊通過底板供電，為了抗干擾消除模塊之間電源的相互影響，每個模塊內部對+5 V電源采用DC／DC隔離。由于在樁基施工現場一般電源不太穩定，各種重型設備引起的干擾比較大，本系統各個智能采集單元相互電氣隔離，通過CAN總線進行各模塊之間的通訊，增強系統了的安全性。數據采集箱采用4U歐式標準機箱，機箱由插槽、背板、電源模塊等構成。由于傳輸距離要求不高，無線模塊采用的是瑞米斯公司先前生產的并口傳輸模塊能夠實現數據的高速傳輸。接收機實現無線數據收發功能，是由Cypress公司的CY7C68013控制芯片擴展而來。整個系統結構緊湊，搭建方便，能夠達到預定要求。

2 接收機設計
??? 接收機由Cypress公司的CY7C68013芯片擴展而來。CY7C68013包括1個8051處理器，1個串行接口引擎(SIE)，1個USB收發器，8．5 KB片上RAM，4 KBFIFO存儲器以及1個通用可編程接口(GPIF)。智能串行接口引擎(SIE)執行所有基本的USB功能，并將嵌入式MCU解放出來以用于實現專用的功能，保證其持續的高性能的傳輸速率。
2．1 硬件設計
??? CY7C68013有三種可用的接口模式：端口、GPIF主控和從FIFO。本系統采用此GPIF主控模式，GPIF作為內部的主控制器與FIFO直接相連，通過編程來決定控制信號的輸出狀態。對于接口數據的總8位，選擇FD[7：0]引腳，并設置WORDWIDE=0。控制輸出引腳CTLn被用作讀和寫選通信號。準備好輸入引腳RDYn，通過GPIF采樣，并且能強制進行等待，繼續或重復等操作，直至進入特定的狀態。GPIF地址線隨著數據傳輸產生地址累加。芯片時鐘被配置為48 MHz的內部時鐘，通過IFCLK引腳輸出，見圖2。

2．2 程序設計
2．2．1 固件設計
??? 固件(Firmware)直接與硬件進行通信，主要功能是負責接受和處理主機發給設備的各種請求，并向主機返回設備的狀態信息。Cypress公司為了簡化固件代碼的開發過程，特別設計一個固件程序框架，框架如圖3所示。主要工作是完成初始化、USB標準設備請求的處理和USB掛起電源管理服務。使用框架來構造固件程序，首先框架初始化內部的狀態變量，調用用戶初始化函數TD_Init()。該函數返回后，初始化USB接口到未配置狀態并使能中斷。每隔1s進行一次設備重枚舉，直到端點接受到一個SETUP包。函數TD_Init()在框架初始化期間被調用，在設備重枚舉和任務調度啟用之前調用該函數，用來初始化用戶的全局變量。

???

2．2．2 驅動程序
??? EZ-USB FX2的開發包提供了一個通用驅動程序(GPD)，可直接在應用程序中調用GPD函數來實現與設備的數據交換。GPD中提供的函數可以實現獲取設備信息、上傳下載固件、讀寫設備等操作。對GPD中的EZUSBSYS．C，EZUSBSYS．H，SOURCES進行修改，在WindowsDDK與VC++6．0利用Build命令重新編譯即可生成驅動程序。使用GPD前，首先在程序中包含ezusbsys．h頭文件：
??? #include”．．＼．．＼drives＼ezusbdrv＼ezusbsys．h”。
2．2．3 應用程序
??? 應用程序通過I／O控制調用訪問EZ-USB GPD。程序首先調用API函數Createfile()打開設備，并返回設備句柄，然后通過調用Win32函數DeviceIoControl()函數向設備驅動程序發送請求。
??? 程序采用BULK方式讀數據到EZ-USB設備，主要清單如下：

???
2．2．4 固件下載驅動程序
??? 使用該芯片特有軟配置功能，將固件程序存儲在計算機中，當設備接入USB電纜時，由于EZ-USB具有重新枚舉的能力，在初始化枚舉以后，用戶只需要通過Cypress公司提供的開發軟件UsbContro1Panel中Download項，就可以將固件載人到控制芯片中。該方法完全是軟操作，不需要額外的硬件設備，方便程序的修改調試。

3 結 語
??? 介紹了基于USB接口的無線測控系統，USB接口技術以其即插即用、穩定的特性以及低廉的價格，得到了廣泛的應用。該設計是樁基靜載荷測控系統的最新嘗試。實驗表明該系統結構合理、性能穩定、運行可靠，在應用中達到了預定的效果，對于改善樁基測控系統數據傳輸的實時監控、穩定性、抗干擾性，提高數據傳輸的準確性提供了很好的實用價值。