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適用于儀器儀表通信的若干新技術2003年10月(3)

   2.2.3 基于籃牙技術的數據采集裝置

籃牙技術可以在短距離內用無線接口來代替有纜連接,因而可以取代現場儀器之間的復雜連接,這對于需要采集大量數據的測控場合非常有用。例如,數據采集設備可以集成單獨的籃牙芯片,或者采用具有籃牙芯片的單片機提供籃牙數據接口。在采集數據時,這種設備就可以迅速地將所采集到的數據傳送到附近的數據處理裝置(例如PC、筆記本電腦、PDA)中,不僅避免了在現場鋪設大量復雜連線以及對這些接線是否正確的檢查與核對,而且不會發生因接線可能存在的錯誤而造成測控的失誤。與傳統的以電線或線外方式傳輸測控數據相比,在測控領域應用籃牙技術的優點主要表現在:

   ① 抗干擾能力強。采集測控現場數據經常遇到大量的電磁干擾,而籃牙系統因采用了跳頻擴頻技術,故可以有效地提高數據傳輸的安全性和抗干擾能力;

   ②無須鋪設纜線,降低了環境改造成本,方便了數據采集人員的工作;

   ③沒有方向上的限制,可以從各個角度進行測控數據的傳輸,可以實現多個測控儀器設備間的聯網,便于進行集中監測與控制。

圖5所示為應用籃牙技術構建的無線數據采集裝置框圖。整個裝置由前端數據采集部分、處理傳送部分和末端的數據接收部分(可以是PLC或PC上位機等)組成。前端數據采集部分由位于現場的傳感器、A/D轉換器和處理器(一般是單片機)組成。傳送部分主要是利用自帶微笑天線的籃牙模塊進行無線的數據傳輸;采集到的數據信號被傳送到PLC控制器或PC上位機。若籃牙模塊選擇愛立信ROK101 008,可支持點對點的主從方式通信。

              圖5 籃牙無線數據采集裝置結構

3 基于USB接口的通信

   USB(universal serial bus)即通用串行總線,它是一種應用在PC領域的新型接口技術。隨著支持USB標準Windows98的出現和USB設備數量的快速增加,USB才在近年逐漸流行起來。目前普遍采用的USB1.1主要應用在中低速外部設備上,它提供的傳輸速度有低速1.5Mbps和全速12Mbps兩種,一個USB端口可同時支持全速和低速的設備訪問。目前,USB在自動化控制領域主要用于數據采集系統,由PC作為USB主機端,單片機作為USB設備端。

3.1 USB數據傳輸方式

   USB通過主機上客戶軟件的內存緩沖區和USB設備上端點之間的管道來傳送數據。它提供有4種傳輸方式:控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和批量傳輸?刂苽鬏敯l送設備請求信息,主要用于讀取設備配置信息和設備狀況,設置設備地址和設備屬性、發送控制命令等功能;同步傳輸提供了確定的帶寬和時間間隔,常被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數據傳輸,或者用于要求恒定的數據傳輸率的即時應用中;中斷傳輸主要用來支持那些偶爾需要對少量數據進行通信,但服務時間卻受限的設備;批量傳輸主要用于大批量的數據傳輸,同時又沒有帶寬和時間間隔的要求,但是USB只能在滿足帶寬的情況下才進行批量傳輸。

3.2 USB外圍設備的設計方案

   目前用于USB外圍設備設計的方案有兩種:一種是采用普通單片機外加USB接口器件;另一種是采用具有USB接口的單片機。

3.2.1 普通單片機外加USB接口器件

USB接口器件只用于處理USB通信,它必須由一個外部單片機來控制。通過USB接口器件可以把USB端口接到任何類型的單片機上,這種實現USB接口的模塊化設計方法使得設計者可自由選擇合適的單片機。

目前市場上已有很多公司提供USB接口器件,Philips公司的PDIUSBD12是一款性價比高、帶并行總線的USB接口器件,它集成了SIE(串行接口引擎)、FI-FO(先進先出)存儲器、收發器及電壓調節器,可與任何單片機實現高速并行接口;其主端點的雙緩沖配置增加了數據的吞吐量,從而可以輕松地實現實時數據傳送;可通過軟件控制與USB的連接,支持雙電源(即3.3V和擴展的5V)操作;具有高糾錯率的全掃描設計確保了其高品質。

3.2.2具有USB接口的單片機

隨著USB應用的日益廣泛和流行,Intel、Cypress等單片機廠商推出了具有USB接口的單片機,這類單片機處理能力強,有的本身就具備多路A/D、D/A,采用這類單片機構成系統的電路簡單、調試方便、電磁兼容性好。因此采用具有USB接口的單片機成了開發USB外設的較好方案。不過由于增加了USB接口,這類單片機與原先的開發系統一般不完全兼容,需要購買新的開發套件,需要新的投資。

Cypress半導體公司作為USB市場的著名廠商,開發的EZ-USB FX2成了世界上第一款USB2.0集成微控制器。它包括1個增強型8051單片機、1個串行接口引擎(SIE)、1個USB收發器、片上RAM、FIFO存儲器以及1個通用可編程接口。FX2提供了一個全面集成的解決方案,它不僅可減少電路板空間,而且大大縮短了產品的上市時間。

FX2擁有一個獨特的架構,其智能串行接口引擎在硬件層上處理USB1.1和USB2.0協議的大部分內容,因此外設產品設計人員不必為增加產品的USB功能而學習USB協議,從而使產品開發變得更加容易,同時減輕了單片機的負擔,而讓智能串行接口引擎從硬件上保證更高的傳輸率。FX2通用可編程接口(GPIF),允許它“無膠粘接”,即可與任何ASIC或DSP進行接口,并且它還支持所用通用總線標準,包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。FX2完全適用于USB2.0,并向下兼容USB1.1。

3.3  USB在測控領域的應用

2001年9月的《Test  and  Measurement World》進行了一次針對測量應用中PC用戶的未來需求調查,該調查顯示越來越多的用戶期望使用USB接口將他們的儀器及數據采集設備連接到PC。

下面以圖6所示的實例,說明基于單片機的數據采集設備與USB專用芯片PDIUSBD12的接口。圖中的80C51單片機與PDIUSBD12通過高速的并行接口進行通信,速率可達2MB/s。對于80C51而言,PDIUS-BD12僅僅是具有8位數據總線的一個地址比特的存儲設備。80C51將A/D采集到的數據保存到擴展的數據存儲器中,然后通過USB接口將數據存儲器中的數據傳送到PC。

             圖6  PDIUSBD12與單片機接口示意圖

由于80C51是一種廣泛使用的單片機,既能利用80C51中豐富的軟、硬件資源,又可利用USB總線技術的“即插即用”、熱插撥等特性,從而開發出很好的USB功能設備,并可降低開發設備的成本,縮短開發周期。

USB通信的軟件設計包括單片機部分的固件部分和主機(PC)的驅動程序部分。對于單片機控制程序,由于目前沒有任何廠商提供自動生成固件(firmware)的工具,因此所有程序都需要手工編制。對USB的單片機控制程序通常由三部分組成:


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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