USB總線在同步相量測量單元中的應(yīng)用

1、USB總線在同步相量測量單元中的應(yīng)用摘 要 本文提出使用USB總線來進(jìn)行下位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，以滿足同步相量測量單元對數(shù)據(jù)傳輸高速率、低延時(shí)和高可靠性的要求。這里主要解決的是USB接口驅(qū)動(dòng)程序的問題，通過編寫上位機(jī)與下位機(jī)的硬件驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)利用USB接口進(jìn)行ATMAGE128與上位微機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳌?關(guān)鍵詞 USB總線；同步相量測量單元；數(shù)據(jù)通訊；通訊接口1 引言 同步相量測量單元(PMU)測量裝置與上位計(jì)算機(jī)之間的通訊速率普遍較低，不能將測量數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理，通訊接口已成為整個(gè)系統(tǒng)性能提高的一個(gè)瓶頸，因此有必要使用一種傳輸速率、時(shí)延、穩(wěn)定性均能滿足同步相量測量

2、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌凇?采用USB接口作為上位機(jī)與下位機(jī)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(shí)延小，差錯(cuò)率極低的特點(diǎn)來完成實(shí)時(shí)相量數(shù)據(jù)的傳輸。在USB接口的實(shí)際應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)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(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，還需要使用專門的接口芯片進(jìn)行連接，用戶必須編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合USB系統(tǒng)協(xié)議的格式進(jìn)行傳輸。 本文敘述了ATMAGE128單片機(jī)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(dòng)程序完成對相關(guān)硬件設(shè)備的操作。該驅(qū)動(dòng)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(gè)普通

3、的存儲(chǔ)器一樣使用USB接口芯片。該接口實(shí)現(xiàn)了各采樣點(diǎn)的低延時(shí)上傳功能，可以在1ms內(nèi)完成一個(gè)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(shí)現(xiàn)整個(gè)計(jì)算機(jī)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(gè)主要部分構(gòu)成：主機(jī)和設(shè)備：是指USB系統(tǒng)中的主要構(gòu)件。物理構(gòu)成：是指USB元件的連接方法。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(jī)和

4、設(shè)備的角度出發(fā)USB總線所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)?？蛻糗浖c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：控制傳輸：主要用于主機(jī)把命令傳給設(shè)備以及設(shè)備把狀態(tài)返回給主機(jī)。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(shí)間受限制的設(shè)備。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(cuò)誤的時(shí)候會(huì)要求發(fā)送方重發(fā)。同步傳輸：以一個(gè)恒定的速率進(jìn)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(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。2.2 USB器件簡介及應(yīng)用 實(shí)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US

5、B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(shí)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(dá)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(dá)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(jī)與上位機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)的軟件必須實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)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)

6、中的作用 USB接口在本系統(tǒng)中用來完成下位機(jī)與上位機(jī)的通訊，具體就是連接AVR單片機(jī)與PC，將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)及一些相關(guān)信息傳送到PC進(jìn)行處理。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括：電壓值(每周期采樣64個(gè)點(diǎn)，12位數(shù)據(jù))。電流值(每周期采樣64個(gè)點(diǎn)，12位數(shù)據(jù))。同步時(shí)間信號(hào)(取自GPS)。 上位機(jī)在接收到這些信息后將會(huì)對其進(jìn)行描點(diǎn)，故障錄波，遠(yuǎn)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(gè)字節(jié)。每通道1秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在6KB以上，多個(gè)通道合計(jì)，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(jìn)行傳輸，則硬件設(shè)備較為復(fù)雜。綜合比較后，采

7、用PDIUSBD12作為接口芯片進(jìn)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(jī)的要求也較為寬松，只要有USB接口的計(jì)算機(jī)都可以作為本系統(tǒng)的上位機(jī)。3 ATMAGE128單片機(jī)3.1 ATMAGE128單片機(jī)介紹 ATMAGE128單片機(jī)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(shí)鐘頻率可以達(dá)16MHz。片內(nèi)集成有容量為128KB的閃存作為程序存儲(chǔ)器，4KB的EEPROM，以及4KB的片內(nèi)存儲(chǔ)器，最高可支持64KB的片外存儲(chǔ)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(fèi)仿真工具avrst

8、udio完成的，與常用的51單片機(jī)略有不同，使用c語言進(jìn)行開發(fā)的時(shí)候必須使用第三方編譯器對源代碼進(jìn)行編譯后才能在仿真環(huán)境下運(yùn)行。本次采用的是icc作為編譯器，本文所有的單片機(jī)程序都在此環(huán)境下運(yùn)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(gè)普通的外部存儲(chǔ)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(jìn)行讀寫操作才能完成。4 USB驅(qū)動(dòng)程序MCU部分 MCU即設(shè)備方控制器，可以是各類型單片機(jī)或者是PC，它們的驅(qū)動(dòng)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(xì)說明以ATMAGE128單片機(jī)作為

9、設(shè)備方控制器的USB驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)以及具體實(shí)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(gè)外部存儲(chǔ)器完全相同，CPU通過總線控制的方式對PDIUSBD12進(jìn)行操作。USB接口的傳輸并不會(huì)占用許多CPU資源，CPU可以執(zhí)行前臺(tái)操作，而USB接口傳輸?shù)墓ぷ鲃t在后臺(tái)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(gè)數(shù)據(jù)包，那么就對CPU 產(chǎn)生一個(gè)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(tái)任務(wù)直

10、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(tái)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(jìn)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)框圖如圖所示。各模塊分工如下： (1)硬件提取層：對單片機(jī)的I/O口、數(shù)據(jù)總線等硬件接口進(jìn)行操作。 (2)PDIUSBD12命令接口：對PDIUSBD12器件進(jìn)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(jī)發(fā)出中斷請求時(shí)，讀取PDIUSBD12的中斷傳輸來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)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(jìn)行處理。 (5)廠商請求處理程序：對用戶添加的廠商

11、請求進(jìn)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(dòng)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(jī)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(jìn)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。

12、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(gè)字節(jié)的，如設(shè)置模式命令，此時(shí)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(jìn)行處理。當(dāng)PDIUSBD12向單片機(jī)發(fā)出中斷請求后，單片機(jī)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

13、務(wù)子程序進(jìn)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(jìn)行處理。當(dāng)中斷服務(wù)程序收集到足夠的數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(jī)需通過選擇控制輸出端點(diǎn)來提取建立包的內(nèi)容來決定端點(diǎn)是為滿還是為空。如果控制端點(diǎn)是為滿，

14、單片機(jī)將從緩沖區(qū)內(nèi)讀出內(nèi)容并將其存入存儲(chǔ)區(qū)。之后，單片機(jī)將從存儲(chǔ)區(qū)使主設(shè)備請求生效。如果是一個(gè)有效的請求，單片機(jī)需向控制端點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答建立命令，以重新使能下一個(gè)建立階段。接下來單片機(jī)需要證實(shí)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(shí)現(xiàn)。 建立階段結(jié)束后，主機(jī)就會(huì)執(zhí)行數(shù)據(jù)階段。PDIUSBD12等待接收控制輸入包。單片機(jī)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(rèn)PDIUSBD12處于傳輸模式后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。當(dāng)下一個(gè)控制輸入標(biāo)志來到時(shí)，單片機(jī)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(jī)需要發(fā)送一個(gè)空的包以指示主機(jī)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

15、，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(jī)處于等待數(shù)據(jù)階段。主機(jī)發(fā)送一個(gè)控制輸出的標(biāo)志，單片機(jī)從PDIUSBD12緩沖區(qū)內(nèi)減去數(shù)據(jù)。此時(shí)單片機(jī)確認(rèn)PDIUSBD12是否處于USB接收模式，然后單片機(jī)通過檢查選擇控制輸出端點(diǎn)確認(rèn)緩沖區(qū)是否已滿，并將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)內(nèi)讀出。4.6 標(biāo)準(zhǔn)請求處理程序 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求是由USB協(xié)議決定的，由主機(jī)發(fā)出，以數(shù)據(jù)包的形式傳送到單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)接收到這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求時(shí)就轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序。其過程包括：獲取狀態(tài)。清除特性。設(shè)置特性。設(shè)置地址。獲取設(shè)備描述符。設(shè)置配置。獲取配置信息。獲取接口信息。設(shè)置接口。同步幀。其中同步幀用來

16、設(shè)置和報(bào)告一個(gè)端點(diǎn)的同步幀，在同步傳輸中才使用，如果設(shè)備不支持這個(gè)請求，返回停止標(biāo)志。4.7 主循環(huán)程序 主循環(huán)程序主要功能是設(shè)置單片機(jī)的初始化，以及設(shè)定各個(gè)相關(guān)子程序的入口。由于使用了中斷服務(wù)程序和一系列的命令接口子程序，主循環(huán)程序中涉及USB接口的部分只是設(shè)定相關(guān)的寄存器。5 USB驅(qū)動(dòng)程序上位機(jī)部分5.1 驅(qū)動(dòng)程序基本概念 主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的功能是將硬件與用戶應(yīng)用程序連接起來。編寫的方法有多種，可以直接與硬件相連接，在應(yīng)用程序中直接讀寫系統(tǒng)應(yīng)將，或者將與硬件直接交換數(shù)據(jù)的底層工作交給操作系統(tǒng)自動(dòng)完成，應(yīng)用程序象讀寫普通文件一樣完成對硬件設(shè)備的操作。前一種方法的代碼開銷少，但是編寫的工作量非常

17、大，移植性也較差。后一種方法需要大量庫函數(shù)支持，但編寫較為簡單，且移植性好，甚至只需少許修改就可以完成對另一種硬件的支持。在本系統(tǒng)中使用的是由廠商提供的驅(qū)動(dòng)程序，為了充分說明USB系統(tǒng)的工作，還是有必要對主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的工作方式做一個(gè)介紹。 從驅(qū)動(dòng)程序的角度出發(fā)，每個(gè)設(shè)備都被看成若干個(gè)設(shè)備對象，這些設(shè)備對象的來歷各不相同，每個(gè)對象都有驅(qū)動(dòng)程序與之對應(yīng)。它們根據(jù)一定的規(guī)則組成設(shè)備對象堆棧，也就是對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序堆棧。處于最底層的是物理設(shè)備對象，它一般由總線生成，驅(qū)動(dòng)程序到達(dá)這里的時(shí)候，總線只是按照標(biāo)準(zhǔn)作一些動(dòng)作，即可完成對設(shè)備物理上的操作。一個(gè)設(shè)備只能有一個(gè)物理設(shè)備對象，但可以有若干個(gè)其它的設(shè)備對象

18、。功能設(shè)備對象是由所編寫的驅(qū)動(dòng)程序生成的，它負(fù)責(zé)從邏輯上操作設(shè)備。其它的層次設(shè)備對象可以處于功能設(shè)備對象的上面或下面，它由另一些驅(qū)動(dòng)程序或者其它的系統(tǒng)組件生成，可以記錄一些設(shè)備信息，但層次設(shè)備對象不是必須的。由于驅(qū)動(dòng)程序的這種層次結(jié)構(gòu)，在編寫驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候不必考慮內(nèi)存分配、IO端口配置、DMA申請等。Windows將資源申請全部自動(dòng)化，由總線完成，編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)只要考慮控制設(shè)備本身即可。5.2 即插即用設(shè)備狀態(tài)及它們之間的轉(zhuǎn)換 USB接口設(shè)備的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是接入或者拔出時(shí)不需要關(guān)閉主機(jī)和重新啟動(dòng)系統(tǒng)，而是可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)直接插入或者拔出。這與USB接口的硬件設(shè)置有關(guān)，USB接口是通過檢測接口

19、上拉電阻來判別是否有設(shè)備存在的。當(dāng)然，還必須有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序來完成對此功能的支持。下面就將簡要描述一個(gè)設(shè)備完成即插即用的過程。 用戶將設(shè)備插入計(jì)算機(jī)，此時(shí)設(shè)備還沒有被系統(tǒng)檢測到。要開始對設(shè)備進(jìn)行軟件配置，必須由即插即用管理器以及總線驅(qū)動(dòng)對設(shè)備進(jìn)行枚舉。即插即用管理器，有時(shí)還可能要在用戶模式下的組件工作，檢測出設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，包括功能驅(qū)動(dòng)程序以及其它的層次驅(qū)動(dòng)程序。如果此時(shí)驅(qū)動(dòng)程序尚未調(diào)入，則即插即用管理器調(diào)用設(shè)備插入例程。驅(qū)動(dòng)程序完成初始化之后，接著必須對設(shè)備進(jìn)行初始化。即插即用管理器調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序中添加設(shè)備的例程來初始化該驅(qū)動(dòng)程序控制的每個(gè)設(shè)備。當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序從即插即用管理器中收到開始設(shè)備的請求時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序使設(shè)備啟動(dòng)并且做好處理IO操作。在Windows2000及更高版本的操作系統(tǒng)中，和停止有關(guān)的請求只有在重新分配硬件資源的時(shí)候才會(huì)使用。意外卸載時(shí)是指硬件在物理上被卸載(熱拔出)，驅(qū)動(dòng)程序處理這個(gè)請求使系統(tǒng)的損失盡可能降低。硬件卸載時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的卸載請求，使得該設(shè)備在軟件上也不可用。如果不對意外卸載進(jìn)行處理，就有可能造成硬件在物理意義上已不存在，但在系統(tǒng)邏輯中依然存在，造成系統(tǒng)訪問該設(shè)備的時(shí)候出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重的情況可能會(huì)造成處理器進(jìn)入死循環(huán)。當(dāng)在軟件意義上對設(shè)備進(jìn)行停止時(shí)，需要等其它請求都操作完畢后才能進(jìn)行。5.3 驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu) USB驅(qū)動(dòng)程序