基于CH375多通道USB接口與PC機通信的實現(xiàn)
關(guān)鍵詞:USB接口,加速器,核輻射監(jiān)測系統(tǒng),多通道
正離子靜電加速器在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生能量較高的γpX和快中子等多種放射性輻射,對周圍的環(huán)境造成污染,對生命造成危害[1]。由于其體積龐大,輻射范圍廣,需設(shè)計一個多探測端的多通道同步核輻射監(jiān)測系統(tǒng),針對加速器周圍環(huán)境進(jìn)行輻射防護(hù)監(jiān)測。每個探測端屬于一個探測通道,它們相互獨立。各通道將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(主控計算機)。上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示各個探測端的輻射強度及吸收劑量。
若采用串口(RS232)實現(xiàn)多通道傳輸,各通道每次向上位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量大(16K),而串口傳輸速度慢,花費的時間長。在通信過程中,相應(yīng)通道進(jìn)入中斷服務(wù)程序后,不能夠再采集新的信號,更加嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)的探測效率。于是就采用CH375構(gòu)成的USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。速率可提高到1Mbit/s以上。同時USB所具有的即插即用、通用性強、易擴展、可靠性好等優(yōu)點[2,3]也極大地改善了接口的使用性能。
1 CH375模塊[4]簡介
USB模塊CH375是一個USB總線的通用設(shè)備接口芯片,用戶無需編寫驅(qū)動程序,內(nèi)置有USB通訊中的底層協(xié)議,完全滿足USB1.1標(biāo)準(zhǔn)。具有8位數(shù)據(jù)總線(D0~D7)、地址輸入(A0)、讀(RD#)、 寫(WR#)、片選控制線(CS#)以及中斷輸出(INT#),可以方便地掛接到單片機的數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)A0為低電平時選擇數(shù)據(jù)端口,單片機通過8位并口對CH375進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù);為高電平時選擇命令端口,可以向其寫入命令。
在本地端,單片機對CH375的操作是采用命令加數(shù)據(jù)的I/O操作方式,任何操作都是先發(fā)命令(其命令格式參考文獻(xiàn)3)給CH375,然后執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出。CH375接收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)或者發(fā)送完給上位機的數(shù)據(jù)后,以中斷方式通知單片機。
將CH375芯片的驅(qū)動程序、動態(tài)鏈接庫拷貝到上位機中,利用CH375動態(tài)鏈接庫DLL提供的API函數(shù)對其進(jìn)行操作,對USB設(shè)備的通信就幾乎和訪問本地硬盤中的文件差不多了。
2 具有多個USB接口的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
圖1是加速器的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)。是個具有多個USB接口的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可安裝連接多個探測端(最多128個)。監(jiān)測不同的放射性輻射時,裝配相應(yīng)的探測器。每個探測通道的工作原理及電子線路都相同,分別連接到USB擴展卡上。多道分析器采用高性能AVR單片機ATmega128作為控制器。ATmega128運用Harvard結(jié)構(gòu)概念,具有預(yù)取指令功能,機器周期為1個時鐘周期,絕大多數(shù)指令為單周期指令,工作頻率為16MHz時可達(dá)到16MIPS的性能[5]。用其控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,把探測器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成計算機可接收的數(shù)字量,進(jìn)行存儲,等待上位機的讀取。
圖1加速器多通道核輻射監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
單一探測通道,用CH375構(gòu)成的USB接口電路原理如圖2所示。各通道接收到上位機發(fā)出讀取數(shù)據(jù)命令后,由ATmega128控制將所有探測數(shù)據(jù)通過USB接口電路傳輸給上位機。
圖2 CH375構(gòu)成的USB接口電路原理圖
3 多個通道USB接口的軟件設(shè)計
各通道的USB模塊CH375在計算機應(yīng)用層與其本地端單片機ATmega128之間提供了端對端的連接。統(tǒng)一采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式進(jìn)行通信,所有的通信都由計算機應(yīng)用層發(fā)起,然后以接收到單片機的應(yīng)答結(jié)束。單一通道完整的通信過程包括:
① 計算機應(yīng)用層按事先約定的格式將數(shù)據(jù)請求發(fā)送給CH375;
② CH375以中斷方式通知單片機。
③ 單片機進(jìn)入中斷服務(wù)程序,獲取CH375的中斷狀態(tài)并分析;
④ 如果是上傳(上傳緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)被計算機成功讀取),則釋放當(dāng)前USB緩沖區(qū),然后退出中斷程序;
⑤ 如果是下傳(下傳緩沖區(qū)成功接收到計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)),則從數(shù)據(jù)下傳緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊;
⑥ 分析接收到的數(shù)據(jù)塊,如果是數(shù)據(jù)請求上傳命令,準(zhǔn)備應(yīng)答數(shù)據(jù)(采集數(shù)據(jù));
⑦ 單片機將采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)上傳緩沖區(qū)中,然后退出中斷程序;
⑧ CH375將采集數(shù)據(jù)返回給計算機;
⑨ 計算機應(yīng)用層接收到應(yīng)答數(shù)據(jù),傳輸結(jié)束;
該通訊方式具有數(shù)據(jù)自動同步、程序設(shè)計簡單、較好的交互性和可控性等優(yōu)點。計算機定時以此方式順次訪問各通道,獲取各通道采集到的數(shù)據(jù)。
3.1 單片機端的程序設(shè)計
各通道單片機端程序設(shè)計相同。ATmega128中斷1(INT1)作為USB的中斷入口(參考圖2),采用數(shù)據(jù)加應(yīng)答方式,其中斷1服務(wù)處理程序設(shè)計流程圖如圖3所示。
圖3 單片機端ATmega128中斷服務(wù)處理程序流程圖
采用C語言編程,編寫單片機端ATmega128中斷1服務(wù)處理程序的基本框架如下所示:
void int1_isr (void) //USB中斷入口程序
{
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS); //向CH375發(fā)送中斷狀態(tài)獲取命令
InterruptStatus = CH375_RD_DAT_PORT();//獲取中斷狀態(tài),并通知CH375取消中斷請求
// 分析中斷狀態(tài),并做相應(yīng)處理
if ( InterruptStatus= =USB_INT_EP2_OUT) // 數(shù)據(jù)下傳
{
CH375_WR_CMD_PORT( CMD_RD_USB_DATA );// 向CH375發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令
RD_Data =CH375_RD_DAT_PORT( );//從CH375下傳緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊
……… //分析接收到的數(shù)據(jù)塊
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA7); // 向CH375發(fā)送寫數(shù)據(jù)命令
CH375_WR_DAT_PORT( DATA);// 將采集數(shù)據(jù)DATA寫入CH375數(shù)據(jù)上傳緩沖區(qū)
return;
}
If(InterruptStatus= = USB_INT_EP2_IN) // 數(shù)據(jù)上傳
{
CH375_WR_CMD_PORT( CMD_UNLOCK_USB );// 釋放當(dāng)前USB緩沖區(qū)
return;
}
}
3.2 計算機端的程序設(shè)計
采用Visual C++作為計算機端應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺,以實現(xiàn)兩通道USB數(shù)據(jù)傳輸為例,計算機端程序設(shè)計流程圖如圖4所示。USB設(shè)備1即指通道1;USB設(shè)備2即指通道2。
圖4 計算機端兩通道USB數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計流程圖
利用MFC(微軟基礎(chǔ)類)定時器函數(shù)[6],計算機定時順序訪問兩通道,獲取采集數(shù)據(jù)。編寫計算機端定時中斷處理程序的基本框架如下所示:
OnTimer(UINT nIDEvent) //定時函數(shù)入口
{
if (CH375OpenDevice(0 )= =INVALID_HANDLE_VALUE) // 打開USB設(shè)備1(通道1 USB模塊CH375),返回句柄,出錯無效
………
if (CH375OpenDevice(1 )= =INVALID_HANDLE_VALUE) //打開USB設(shè)備2
………
if ( CH375WriteData( 0, WriteBuf, length) ) //發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令給USB設(shè)備1,成功發(fā)送后返回真。WriteBuf指向放置準(zhǔn)備寫出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。Length指向長度單元,輸入時為準(zhǔn)備寫出的長度,返回后為實際寫出的長度。
………
if ( CH375ReadData( 0, ReadBuf, length) ) //從USB設(shè)備1讀取采集數(shù)據(jù),成功讀取后返回真。ReadBuf為指向用于保存讀取數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。Length指向長度單元,輸入時為準(zhǔn)備讀取得長度,返回后為實際讀取得長度。
………
CH375CloseDevice( 0 ); //關(guān)閉USB設(shè)備1
if ( CH375WriteData( 1, WriteBuf, length) ) //發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令給USB設(shè)備2
………
if ( CH375ReadData( 1, ReadBuf, length) ) //從USB設(shè)備2讀取采集數(shù)據(jù)
………
CH375CloseDevice( 1 ); //關(guān)閉USB設(shè)備2
}
4 結(jié)束語
采用CH375進(jìn)行USB數(shù)據(jù)傳輸速率高,達(dá)到1Mbit/s以上。而且無需編寫復(fù)雜的USB驅(qū)動程序,利用其動態(tài)鏈接庫即可實現(xiàn)多通道USB接口與PC機通信。研發(fā)簡單,易于實現(xiàn),可以使數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)非常方便的從RS232總線轉(zhuǎn)向USB總線,彌補其速度慢的缺點,進(jìn)行系統(tǒng)升級。并且USB所具有的各種優(yōu)越性能,也必將使這種接口電路在數(shù)據(jù)傳輸中得到更廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1]謝一岡,陳昌,王曼,等. 粒子探測器與數(shù)據(jù)獲取[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2003. 529-532.
[2]周建斌,黃錦華. USB接口技術(shù)在核譜測量系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù). 2004, 24(5). -506 -510
[3]胡榮強,郝艷杰. USB接口在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微計算機信息. 2005,21(1).-51-52
[4]南京沁恒電子有限公司. USB總線接口芯片CH375. http://www.Winchiphead.com, 2005
[5]宋建國. AVR單片機原理及應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2000. 22-26
[6]David Simon, 周瑜萍,等. Visual C++ 6編程寶典[M].電子工業(yè)出版社, 2005.314-317
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