USB在同步相量測量單元中的應(yīng)用

　　同步相量測量單元(PMU)測量裝置與上位計算機之間的通訊速率普遍較低，不能將測量數(shù)據(jù)及時傳送到上位機進行分析處理，通訊接口已成為整個系統(tǒng)性能提高的一個瓶頸，因此有必要使用一種傳輸速率、時延、穩(wěn)定性均能滿足同步相量測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌凇?/P>

　　采用USB接口作為上位機與下位機的通訊接口方式可以解決這些問題。利用USB接口中斷傳輸速率大，時延小，差錯率極低的特點來完成實時相量數(shù)據(jù)的傳輸。在USB接口的實際應(yīng)用中，驅(qū)動程序的開發(fā)是最為困難的部分，由于USB接口誕生較晚，目前尚未成為多數(shù)單片微機的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，還需要使用專門的接口芯片進行連接，用戶必須編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合USB系統(tǒng)協(xié)議的格式進行傳輸。

　　本文敘述了ATMAGE128單片機使用PDIUSBD12接口芯片完成USB接口數(shù)據(jù)通訊的過程。通過驅(qū)動程序完成對相關(guān)硬件設(shè)備的操作。該驅(qū)動程序完成USB接口的中斷傳輸功能，用戶調(diào)用通用命令就可以像使用一個普通的存儲器一樣使用USB接口芯片。該接口實現(xiàn)了各采樣點的低延時上傳功能，可以在1ms內(nèi)完成一個工頻周期全部采樣值的傳輸。

　　2 USB系統(tǒng)及其器件選擇介紹

　　2.1 USB體系概述

　　USB(Universal Serial Bus)是一種通用串行總線，為了實現(xiàn)整個計算機系統(tǒng)中總線的一致性，由COMPAQ/ INTEL/MICRSOFT和NEC等公司共同開發(fā)出的一種新的、快速的、雙向的、同步傳輸?shù)牟⒖梢詿岚尾宓臄?shù)據(jù)傳輸總線，簡稱USB總線。USB總線由以下四個主要部分構(gòu)成：①主機和設(shè)備：是指USB系統(tǒng)中的主要構(gòu)件。②物理構(gòu)成：是指USB元件的連接方法。③邏輯構(gòu)成：不同的USB元件所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧拓?zé)任，以及從主機和設(shè)備的角度出發(fā)USB總線所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。④客戶軟件與設(shè)備功能接口的關(guān)系。

　　USB總線有四種數(shù)據(jù)傳輸方式：①控制傳輸：主要用于主機把命令傳給設(shè)備以及設(shè)備把狀態(tài)返回給主機。②中斷傳輸：用來支持那些偶然需要少量數(shù)據(jù)通信，但服務(wù)時間受限制的設(shè)備。③批量傳輸：用來傳輸大量的數(shù)據(jù)而沒有周期和傳輸速率的設(shè)備上。批量傳輸方式并不能保證傳輸?shù)乃俾?，但可以保證傳輸?shù)目煽啃裕?dāng)出現(xiàn)錯誤的時候會要求發(fā)送方重發(fā)。④同步傳輸：以一個恒定的速率進行傳輸。同步傳輸?shù)姆绞降陌l(fā)送和接收方都必須保證傳輸速率的匹配，不然會造成數(shù)據(jù)的丟失。

　　2.2 USB器件簡介及應(yīng)用

　　實現(xiàn)USB傳輸?shù)姆椒ㄖ饕惺褂媒涌谵D(zhuǎn)換芯片和專用的接口芯片兩種。前者就是將USB接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口使用，在操作方式和傳輸速度上與RS232接口完全相同。后者則可以實現(xiàn)真正的USB傳輸，使用USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片如PDIUSBD12可以達到最高12Mb/s的傳輸速率，使用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片如ISP1581則可以達到480Mb/s的傳輸速率。如果要使用專用的USB接口芯片就必須編寫相應(yīng)的下位機與上位機驅(qū)動程序，由于USB傳輸不同于串口傳輸，USB傳輸?shù)姆绞蕉际峭ㄟ^協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)包來完成的，所以下位機的軟件必須實現(xiàn)對接口器件的硬件管理功能，及對協(xié)議發(fā)出的各種請求作出響應(yīng)。而上位機驅(qū)動程序需完成對接口芯片的枚舉、地址分配等工作。

　　2.3 USB接口在本系統(tǒng)中的作用

　　USB接口在本系統(tǒng)中用來完成下位機與上位機的通訊，具體就是連接AVR單片機與PC，將下位機采集的數(shù)據(jù)及一些相關(guān)信息傳送到PC進行處理。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括：①電壓值(每周期采樣64個點，12位數(shù)據(jù))。②電流值(每周期采樣64個點，12位數(shù)據(jù))。③同步時間信號(取自GPS)。

　　上位機在接收到這些信息后將會對其進行描點，故障錄波，遠程傳送等處理。12位的電壓電流數(shù)據(jù)都要經(jīng)過變換，成為16位數(shù)據(jù)，占一個字節(jié)。每通道1秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在6KB以上，多個通道合計，接口的傳輸速率至少要40KB/s，這一要求已經(jīng)超過RS232接口所能提供的傳輸速率。如果使用CAN總線進行傳輸，則硬件設(shè)備較為復(fù)雜。綜合比較后，采用PDIUSBD12作為接口芯片進行數(shù)據(jù)傳輸是較合適的選擇。采用塑料極小封裝的PDIUSBD12可以很容易安置在電路板上。而且對上位機的要求也較為寬松，只要有USB接口的計算機都可以作為本系統(tǒng)的上位機。

　　3 ATMAGE128單片機

　　3.1 ATMAGE128單片機介紹

　　ATMAGE128單片機是由ATMEL公司出品的一款高性能低功耗的8位微型控制器，最高時鐘頻率可以達16MHz。片內(nèi)集成有容量為128KB的閃存作為程序存儲器，4KB的EEPROM，以及4KB的片內(nèi)存儲器，最高可支持64KB的片外存儲器。

　　3.2 開發(fā)過程簡述

　　TMAGE128的開發(fā)一般是由ATMEL公司提供的免費仿真工具avrstudio完成的，與常用的51單片機略有不同，使用c語言進行開發(fā)的時候必須使用第三方編譯器對源代碼進行編譯后才能在仿真環(huán)境下運行。本次采用的是icc作為編譯器，本文所有的單片機程序都在此環(huán)境下運行調(diào)試。USB接口器件采用總線控制方式，數(shù)據(jù)傳輸形式采用中斷傳輸。USB接口器件在使用上與一個普通的外部存儲器相同，所有的控制與數(shù)據(jù)傳輸都必須對ATMAGE128中相應(yīng)的寄存器進行讀寫操作才能完成。

　　4 USB驅(qū)動程序MCU部分

　　MCU即設(shè)備方控制器，可以是各類型單片機或者是PC，它們的驅(qū)動程序在結(jié)構(gòu)上是類似的，而具體的代碼，由于使用的系統(tǒng)環(huán)境不同，存在較大差異，下面就詳細說明以ATMAGE128單片機作為設(shè)備方控制器的USB驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)以及具體實現(xiàn)的代碼。

　　4.1 程序整體結(jié)構(gòu)

　　對于CPU而言，PDIUSBD12芯片與一個外部存儲器完全相同，CPU通過總線控制的方式對PDIUSBD12進行操作。USB接口的傳輸并不會占用許多CPU資源，CPU可以執(zhí)行前臺操作，而USB接口傳輸?shù)墓ぷ鲃t在后臺完成，兩者之間通過中斷服務(wù)程序連接。當(dāng)PDIUSBD12 從USB 收到一個數(shù)據(jù)包，那么就對CPU 產(chǎn)生一個中斷請求，CPU 立即響應(yīng)中斷。在ISR中固件將數(shù)據(jù)包從PDIUSBD12 內(nèi)部緩沖區(qū)移到循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并在隨后清零PDIUSBD12 的內(nèi)部緩沖區(qū)以使能接收新的數(shù)據(jù)包CPU 可以繼續(xù)它當(dāng)前的前臺任務(wù)直到完成，然后返回到主循環(huán)檢查循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)是否有新的數(shù)據(jù)，并開始其它的前臺任務(wù)。無論是上傳或者下載數(shù)據(jù)都是對循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行處理，主循環(huán)只要檢查循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)是否有要處理的新數(shù)據(jù)。程序整體結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。

　　各模塊分工如下：

　　(1)硬件提取層：對單片機的I/O口、數(shù)據(jù)總線等硬件接口進行操作。

　　(2)PDIUSBD12命令接口：對PDIUSBD12器件進行操作的模塊子程序集。

　　(3)中斷服務(wù)程序：當(dāng)PDIUSBD12向單片機發(fā)出中斷請求時，讀取PDIUSBD12的中斷傳輸來的數(shù)據(jù)，并進行相關(guān)處理。

　　(4)標(biāo)準(zhǔn)請求處理程序：對USB的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求進行處理。

　　(5)廠商請求處理程序：對用戶添加的廠商請求進行處理。

　　(6)主循環(huán)程序：發(fā)送USB請求、處理USB總線事件和用戶功能處理等。

　　圖1 USB驅(qū)動MCU整體結(jié)構(gòu)圖

　　4.2 硬件提取層相關(guān)程序

　　硬件提取層執(zhí)行對單片機I/O口、數(shù)據(jù)總線等的操作，包含向PDIUSBD12發(fā)送數(shù)據(jù)或命令的子程序及從PDIUSBD12讀取數(shù)據(jù)的子程序，該部分代碼需對地址總線和數(shù)據(jù)總線進行直接操作。PDIUSBD12的任何操作都是由命令指令和數(shù)據(jù)指令組合完成的，通過改變A0引腳的電平就可以完成命令模式/數(shù)據(jù)模式的切換。

　　4.3 命令接口

　　該部分是由一系列命令接口子程序構(gòu)成的，包含了所有PDIUSBD12給出的訪問功能接口的命令。在命令接口中調(diào)用了硬件提取層中的子程序。PDIUSBD12的所有功能都必須由類似的方法完成，先發(fā)送一條命令，然后寫該命令的具體參數(shù)。有的命令參數(shù)是多個字節(jié)的，如設(shè)置模式命令，此時就必須調(diào)用兩次寫數(shù)據(jù)線的指令。命令接口程序的編寫格式相對固定，按照PDIUSBD12說明書中給出的命令匯總表依次編寫即可。

　　4.4 中斷服務(wù)程序

　　中斷服務(wù)程序代碼處理由PDIUSBD12產(chǎn)生的中斷，它將數(shù)據(jù)從PDIUSBD12內(nèi)部的緩沖區(qū)內(nèi)取出，并建立正確的標(biāo)志，通知主循環(huán)進行處理。當(dāng)PDIUSBD12向單片機發(fā)出中斷請求后，單片機調(diào)用讀取中斷寄存器的標(biāo)準(zhǔn)命令接口子程序d12_readinterruptregister( )來決定中斷源，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序進行處理。中斷服務(wù)程序從PDIUSBD12收集數(shù)據(jù)，而主循環(huán)程序?qū)?shù)據(jù)進行處理。當(dāng)中斷服務(wù)程序收集到足夠的數(shù)據(jù)時，它通知主程序已經(jīng)做好準(zhǔn)備等待處理。例如在發(fā)送數(shù)據(jù)包階段建立包時，中斷服務(wù)程序?qū)⒔蛿?shù)據(jù)都存入緩沖區(qū)內(nèi)，然后將setup_packet標(biāo)志送到主循環(huán)，這樣主循環(huán)就可以節(jié)省不必要的服務(wù)時間。

　　4.5 總線復(fù)位和掛起

　　當(dāng)接收到總線復(fù)位或掛起的請求時，中斷服務(wù)程序?qū)us_set或suspends標(biāo)志位置位，然后退出。

　　控制傳輸總是由建立階段開始，之后為可選的數(shù)據(jù)階段，然后結(jié)束于狀態(tài)階段。單片機需通過選擇控制輸出端點來提取建立包的內(nèi)容來決定端點是為滿還是為空。如果控制端點是為滿，單片機將從緩沖區(qū)內(nèi)讀出內(nèi)容并將其存入存儲區(qū)。之后，單片機將從存儲區(qū)使主設(shè)備請求生效。如果是一個有效的請求，單片機需向控制端點發(fā)送應(yīng)答建立命令，以重新使能下一個建立階段。接下來單片機需要證實傳輸是控制讀還是寫，這可以通過建立包重定向的請求類型位來實現(xiàn)。

　　建立階段結(jié)束后，主機就會執(zhí)行數(shù)據(jù)階段。PDIUSBD12等待接收控制輸入包。單片機首先需要讀取最后處理狀態(tài)寄存器清零中斷標(biāo)志位。確認PDIUSBD12處于傳輸模式后，進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

　　當(dāng)下一個控制輸入標(biāo)志來到時，單片機將確定剩余的字節(jié)是否為零。如果已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，單片機需要發(fā)送一個空的包以指示主機數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。如果建立包的為獲得描述符請求，那么建立包中的控制傳輸將指示此包為控制寫類型。在執(zhí)行完獲得描述符請求過程后，單片機處于等待數(shù)據(jù)階段。主機發(fā)送一個控制輸出的標(biāo)志，單片機從PDIUSBD12緩沖區(qū)內(nèi)減去數(shù)據(jù)。此時單片機確認PDIUSBD12是否處于USB接收模式，然后單片機通過檢查選擇控制輸出端點確認緩沖區(qū)是否已滿，并將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)內(nèi)讀出。