1 导言
在工业生产和科学技能研究的各行业中, 常运用PC或工控机对各种数据进行收集, 如压力、频率、液位、温度等。常用的收集办法是经过数据收集板卡, 其不只装置费事, 易受机箱内环境的搅扰,并且由于受计算机插槽数量和地址、中止资源的约束, 不可能挂接许多设备。而通用串行总线( Universa l Ser ia l Bus, USB )的呈现, 很好地处理了以上这些抵触, 可完结低成本、高可靠性、多点的数据收集。USB 2. 0 是一种计算机外设衔接标准, 除了USB1. 1中规则的1. 5Mb it / s和12Mb it / s两个形式以外, 还添加了480Mbit / s( 60MB / s)这一 高速 形式, 将USB的运用规模得到进一步扩展。
本文介绍的依据USB 2. 0的两路力信号收集传输体系, 可用于销盘式冲突实验机, 丈量资料的冲突系数。
2 硬件规划
2. 1 体系计划
外部传感器的冲突力信号和压力信号别离经过两片8位AD转化器转化为数字信号, 由USB 芯片直接传输至计算机中处理, 并运用软件演示两路力之间的联系, 计算出资料的冲突系数。主机一起担任数据传输的发动与中止, USB 操控器操控信号的收集并读取到内部缓冲区。
2. 2 操控器芯片挑选USB 操控器选用56 脚SSOP 封装的CY7C68013, 归于Cypresss 公司FX2 系列。
Cypresss EZFX2将USB 2. 0的收发器、SIE、增强型8051 和一个可编程逻辑接口集成在一个芯片上。在EZUSB FX2 上, 灵敏的SIE 处理大部分USB1. 1和USB 2. 0硬件协议, 释放了用于特别运用功用的嵌入式微操控器。通用可编程接口( GPIF)和主控/伺服端点FIFO ( 8..或16..位数据总线) 供给了其与常用接口, 如: ATA, UTOPA, EPP,PCMC IA, 以及大多数DSP /处理器的简略无缝衔接。其有如下特色:
内核: 增强型8051的时钟频率高达48M; 每个周期4个时钟; 运转来自内部RAM的程序。
四个可编程BULK / INTERRUPT / ISOCHRONOUS端点: 缓冲区可挑选为双缓冲区, 三缓冲区或四缓冲区; 外部数据接口可为8或16位。
GPIF: GPIF关于FX2的FIFO来说是一个内部主机, 可编程状况机是它的中心。关于56脚封装,它可以产生三个‘操控?’( CTL [ 2： 0] ) 和九个‘地址’ (GPIFADR [ 8： 0] )输出, 能接纳两个外部和两个内部‘预备’ ( RDY [ 1： 0] )输入。操控状况机由四个用户界说的!波形描绘‘操控’。内部RAM 中的波形描绘符描绘每个GPIF信号的行为。初始化阶段, 波形描绘符由FX2固件下载到GPIF寄存器中,经过GPIF接口在传输操作的代码履行全进程运用它。操控输出信号( CTL[ 1： 0] )一般用做闸口操控(使能信号线)、读/写信号线等。CTLx波形边缘可经过编程进行传输, 速率可达每个IFCLK时钟一次( IFCLK 运转于48MH z)。RDY[ 1： 0]由GPIF取样,并且能迫使一个传输处于等候, 持续, 或重复状况,直到它们处于一个特别的状况。
2. 3 硬件电路图
依据所选操控器和具体条件, 规划硬件电路如图2所示。
选用从主机下载固件程序的办法, SCL, SDA引脚经过两个2. 2k 的电阻接3. 3V 电源, RESET引脚有滞后效果, 低电平有用; 内部PLL 在V cc 抵达3. 3V后约200s后安稳。典型电路是外接一个RC电路(R = 100K, C = 0. 1F)供给RESET：信号;软件部分选用GPIF Master形式, 16 位数据总线,将两路8位ADC 数据线直接连到GPIF数据总线上: FD[ 0： 7]接冲突力数据信号FDATA [ 0： 8] ,FD[ 8 ： 15] 接压力数据信号PDATA [ 0 ： 7 ]。
CTL0, CTL1别离衔接ADC 的READ 和WRITE 引脚, 用于操控其作业时序。REY0衔接ADC 的INTR, 用于判别是否开端读取数据, 并由此判别何时改动GPIF状况。
芯片电源运用USB 总线电源, 选用MAX IM 公司的MAX882 芯片, 把5. 25V 的Vbus转化为3.3V, 如图3所示。
关于USB 2. 0体系, D + 和D – 信号线上的差分特性阻抗会严峻影响到信号眼图、EOP、带宽、信号颤动和搅扰的巨细。依据U SB 2. 0标准的要求,差分线对的特性阻抗要求操控在90 ? 10% 以内,使D+ 和D – 布线长度在1英寸以内, 匹配差错在50m il以内。
3 软件规划
USB接口程序规划包括三部分: 固件程序规划、硬件驱动程序规划、高档运用程序规划。
3. 1 固件( firmw are)规划
设备固件程序的首要功用是操控EZUSB FX2接纳并处理USB 驱动程序的恳求、操控芯片中运用程序操控指令的接纳、操控ADC 中的数据读入等。该规划的固件程序除可以使内置的GPIF在没有CPU 的干与下经过四个端点FIFO ( EP2、EP4、EP6、EP8)中的两个处理数据传输外, 还有装备端点、经过操控端点0 来呼应主机恳求、操控和监测GPIF的活动等固定作业。
GPIF的波形描绘符经过FX2的固件保存在波形寄存器中。FX2可以坚持多达4个波形描绘符,均可选用4种传输办法( Single 读, Single写, FIFO读, FIFO写)中的一种。
一个波形由7 个可编程的状况( S0 ~ S6 ) 和一个特别的IDLE 状况S7 组成, 当程序分支到它的IDLE 状况时波形停止。从一种状况到另一个状况的转化产生在IFCLK 的上升沿, 但GPIF可以坚持在同一种状况许多IFCLK 周期。每一个状况都经过一个32位的状况指令界说: 1) NDP状况: 在整个状况期间, 操控输出CTLx 被GPIF 指令界说为1, 0, 或三态。NDP状况有一个以IFCLK 周期为单位的程序固定周期。假如一个波形界说的状况少于7个, 最终一个编程的状况结束后不会主动进入IDLE状况, 即最终一个编程状况的状况指令有必要包括一个IDLE 状况的清晰分支。2) DP 状况: 任何一个状况都可以界说为DP, 答应GPIF采样两个信号, 对采样值进行布尔操作, 依据成果跳转到其它状况(或循环到自身)。若一个状况指令包括一个操控使命(递加FIFO 指针, 添加GPIFADR 地址等) , 这些使命总是在进入该状况时履行一次。若该状况是一个循环到自身的DP, 可以编程为在每一个循环中从头履行操控使命。
GPIF的规划运用的是Cypress的GPIF Design东西, 可依据ADC 的时序和操控要求方便地规划,规划波形如图4。选用Sing le Read 办法, 每一个状况的持续时间可设置为0~ 256个IFCLK 个周期。
在Status中设置了一个DP, 当RDY0( INTR )信号为高时, 跳转到状况0 从头下一次数据收集; 当为低时, 则返回到自身持续履行。界说好波形后, 由东西栏中的Too ls菜单中的Export to GPIF. c file导出为C言语文件。界说端点2, 6 为输入端点, 对应的FIFO 缓冲区为双缓冲区, 确保不会由于缓冲区中的数据没有传送结束而被掩盖。每次收集数据的高字节存入端点2缓冲区, 低字节存入端点6缓冲区。
3. 2 驱动程序的规划
该体系需求两个驱动程序, 下载固件的驱动程序和功用驱动程序。选用固件从主机下载的办法,由固件下载驱动程序完结。当设备衔接到U SB 总线后, 担任把固件程序下载到CY 7C68013的RAM中, 完结重罗列作业, 使内核正常作业。主机依据其设置的V ID /PID寻觅并装置功用驱动程序, 然后完结主机与设备的通讯。用户程序与设备的通讯及操控由功用驱动程序担任完结。
驱动程序规划选用WDM (W indow s DriveMode)。其引进设备目标的概念来描绘一个设备,首要包括物理设备目标( PDO )、功用设备目标( FDO)、过滤设备目标( f ilter DO )。其间, PDO 对应实践的物理设备, FDO 和f ilterDO 是相应驱动程序的处理目标。WDM 驱动程序直接操作的不是硬件自身, 而是相应的PDO, FDO, 和filter DO。当用户宣布恳求时, 操作体系会将其打包构成一个IRP结构, 并发送至驱动程序, 经过辨认IRP 中的设备目标来区别它是发送给哪个设备。
USB设备最大长处便是即插即用功用( PnP) ,PnP设备具有不同的设备状况, 当它接纳到某些PnP IRP时, 其所在的设备状况就会产生改动。图5描绘了PnP设备状况及其相应的PnP IRP。
为确保USB设备连入体系时, W indow s可以找到并加载与其进行通讯的设备驱动程序, 除供给的编译好的驱动程序外, 还需为其供给一个设备信息文件( DIF) , 该文件包括USB 设备、设备驱动程序及其装置进程的详细信息, 如该为设备运用哪个驱动、体系注册表中应存储哪些信息等, 以确保其硬件设备能正确地装备和装置。在U SB 设备驱动程序装置结束后, 该设备的一些基本信息将被存储到W indow s体系注册表中, 驱动程序可履行文件和其DIF也被复制到指定的体系目录, 该USB 设备将呈现在W indow s设备管理器中。
3. 3 运用程序规划
高档运用程序建立在驱动程序之上, 主机运用程序的编写运用VC 编译环境中的API函数完结。
运用程序的编程办法与串口编程相似。首要有必要查找设备, 打开设备的句柄, 然后进行读写和操控操作, 最终是封闭设备句柄。为了进步功率,可运用多线程技能完结读写。
4 结语
本文规划的用于冲突实验机的USB 数据收集体系, 选用Cypress FX2系列芯片CY7C68013, 运用其GPIF Master形式的16位数据线与两块8位数模转化芯片衔接, 精确地确保了两路力信号的同步。该芯片灵敏的接口大大简化了硬件衔接。其固件程序主动下载功用可方便地对固件进行修正和调试。此USB设备的即插即用特性满意了该体系便携式及运用方便的要求。
