基于USB接口的多節(jié)點(diǎn)無線測溫系統(tǒng)

1 引言

溫度監(jiān)測在土木建筑施工、儲糧倉庫、智能樓宇、空調(diào)系統(tǒng)以及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的測溫方法是在各監(jiān)測點(diǎn)布置溫度探頭，由專人每天定時采集各點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，再輸入電腦保存，并生成溫度、應(yīng)力的變化曲線和測試報(bào)告，也有一些是通過數(shù)據(jù)采集箱采集溫度和應(yīng)力數(shù)據(jù)，然后通過電纜上傳電腦做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

傳統(tǒng)的測量方法需要監(jiān)測人員頻繁來往于施工現(xiàn)場，勞動強(qiáng)度大，數(shù)據(jù)采集和傳輸不方便，信息管理的自動化程度低，難于滿足現(xiàn)代信息化監(jiān)測的要求。為了提高測溫?cái)?shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、可靠性、及時性，同時實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力數(shù)據(jù)的智能化、信息化管理，本文針對大規(guī)模建筑施工監(jiān)測等工程應(yīng)用的要求，設(shè)計(jì)了一種基于無線數(shù)據(jù)傳輸和USB接口的多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測系統(tǒng)。

通過無線數(shù)據(jù)傳輸，一方面拓展了節(jié)點(diǎn)分機(jī)布置的空間范圍，另一方面大大縮短了測溫電纜的長度以方便布線。USB接口實(shí)現(xiàn)了將各節(jié)點(diǎn)分機(jī)的測溫?cái)?shù)據(jù)向主機(jī)的快速傳輸，取代了傳統(tǒng)的RS 232等接口形式，大大方便了與主機(jī)的連接。主機(jī)軟件完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲、曲線和報(bào)表生成，實(shí)現(xiàn)混施工監(jiān)測的信息化管理，也可以構(gòu)建一個Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)信息的異地監(jiān)測。

2 測溫系統(tǒng)的整體構(gòu)造

測溫系統(tǒng)是由主機(jī)、通信機(jī)和測溫節(jié)點(diǎn)分機(jī)構(gòu)成，整體框圖如圖1所示。

其中溫度信號通過埋植在現(xiàn)場的傳感器傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)分機(jī)，節(jié)點(diǎn)分機(jī)內(nèi)部集成了調(diào)理電路和信號采集模塊，以及由微處理器控制的存儲模塊和通信模塊，一個節(jié)點(diǎn)分機(jī)最多可以處理64路溫度信號，測溫分機(jī)以主機(jī)設(shè)定的時間間隔通過無線或有線方式經(jīng)通信機(jī)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)，其中通信機(jī)采用了支持USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的微控制器C8051F320，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過USB傳送到主機(jī)，PC機(jī)在軟件支持下對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并以報(bào)表以及曲線圖表示出來。同時，主機(jī)也可以設(shè)定分機(jī)的數(shù)據(jù)采集間隔，監(jiān)測的部位，系統(tǒng)時間等參數(shù)。

3 USB接口在測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了把測溫?cái)?shù)據(jù)傳送到主機(jī)，傳統(tǒng)的方法是利用RS 232或RS 485總線與主機(jī)通信。但由于這些接口傳輸速度慢，近年來，逐步被USB接口所取代。目前USB成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口已經(jīng)是大勢所趨，在主機(jī)(host)端，目前推出的PC機(jī)幾乎100％支持USB。鑒于此，本文采用CYGNAL公司的支持全速USB 2.0的微控制器C8051F320。該單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，具有與C8051完全兼容的CIP51內(nèi)核，與MSC-51指令集完全兼容。片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件；內(nèi)置FLASH程序存儲器、內(nèi)部RAM以及外部數(shù)據(jù)存儲器RAM。微控制器C8051F320帶有USB接口，其功能控制模塊符合USB 2.0規(guī)范，可在全速或低速下運(yùn)行，并具有1 kB USB緩存、集成收發(fā)器，無需外部電阻。Silicon lab公司提供了USBXpress的開發(fā)套件。通過使用USBXpress庫，大大簡化了USB固件程序和PC端驅(qū)動程序的開發(fā)。其中USB通信總體框圖如2所示。USBXpress通過一系列函數(shù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)端的應(yīng)用程序接口(API)。當(dāng)主機(jī)需要數(shù)據(jù)時，可將測溫節(jié)點(diǎn)分機(jī)數(shù)據(jù)通過通信機(jī)傳輸?shù)街鳈C(jī)中，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示和數(shù)據(jù)分析處理。

4 USB通信

本系統(tǒng)的USB外設(shè)為非符合HID標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，因此要使主機(jī)與通信機(jī)順利傳輸數(shù)據(jù)，需要編寫三部分的程序：設(shè)備端的固件程序、主機(jī)上的設(shè)備驅(qū)動程序以及客戶應(yīng)用程序。

4.1 固件程序設(shè)計(jì)

采用C語言編寫，USB固件程序程序由3部分組成：

(1)初始化單片機(jī)和所有的外圍電路；包括USB控制器的初始化、端點(diǎn)初始化、交叉開關(guān)和I／O口初始化、系統(tǒng)時鐘設(shè)置，控制器使能；

(2)主循環(huán)部分，其任務(wù)是可以中斷的；

(3)中斷服務(wù)程序，其任務(wù)是對時間敏感的，必須馬上執(zhí)行。如圖3所示。