引言

　　在許多工業控制和數據采集系統中，為了實現系統的小型化和便攜化，通常采用上下位機形式的主從式結構。

　　由于MCU（微控制器）成本低，編程靈活、方便，實時性強，且具有一定的智能，因而通常使用它作為下位機的主控芯片，負責對現場數據的采集與傳輸，并控制相應的執行機構。上位機一般使用普通的PC機、筆記本電腦或工控機，負責對下位機傳來的數據進行分析處理, 并根據處理結果控制下位機的操作。上下位機之間的數據通信接口目前一般使用RS-232和USB總線接口標準，相對于RS-232，USB 具有高速傳輸、熱插拔、即插即用等優點。在本系統中，為了保證下位機高速采樣數據能及時傳送給上位機進行分析處理，我們采用USB總線來實現上下位機的數據傳輸。

　　1  系統的硬件構成

　　系統主要由PC機，高性能C8051F020微控制器(MCU),USB接口插頭，USB100模塊。圖1是其系統構成框圖。

　　1.1 C8051F020微控制器[1]

　　我們選擇美國Silicon公司的微控制器（MCU）C8051F020（簡稱F020）作為數據采集系統的CPU。F020是一種混合信號SOC型8位單片機，它有一個8通道的、轉換速率為100Kbps的12位ADC，以及一個8通道的、轉換速率為500Kbps的8位ADC；2個12位DAC；64KB FlashRom,4KBRAM；有22個中斷源和5個定時器/計數器。該MCU屬于C8051FXXX系列中的F02x子系列,其性能價格比在目前應用領域極具競爭力，它具有以下主要特點：1）芯片采用高速流水線結構；2）先進的JTAG調試接口；3）可靠的安全機制可利用JTAG編程加密芯片；4）強大的控制功能。有多達64個I/O線，有獨特數字交叉開關(digital crossbar)，允許將內部數字系統資源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引腳；5）有多達22個中斷源。

　　1.2  USB100[2-3]

　　USB100內部封裝了USB1.1的全部協議，并帶有384字節的發送緩沖區和128字節的接收緩沖區，8位并行數據接口。對USB的操作編程類似對外部存儲器的操作，由于該模塊完成了全部USB協議的轉換和封裝，使得對USB的開發和應用過程變得非常簡單，用戶只要在PC機上安裝USB100模塊驅動程序以后，對其編程可以按照與串口完全一樣的方法來完成。USB100主要的管腳及功能如表1 所示（未列出的管腳為空腳）。

　　表1 USB管腳功能和定義

　　如圖2所示，當檢測到USB100模塊TXE為低時，表示內部發送緩沖區允許發送數據，可以將數據通過8位數據總線D0～D7發送給USB100模塊，發送數據鎖存由WR控制（邊沿觸發）；當TXE為高時，禁止發送數據。

　　如圖3所示，當檢測到USB100模塊RXF為低時，表示內部接收緩沖區有來自USB端口的數據可通過8位數據線將數據讀入，接收數據鎖存器由RD控制（邊沿觸發）。

　　USB100模塊的數據線D0～D7與F020的P4端口相連，P2.4～P2.7分別與USB100模塊的TXE、RXF、WR、RD相連。

　　2 系統通信的設計[4－6]

　　動態測試儀的任務主要是進行數據采集和定時/計數，并將這些數據傳給上位機進行數據處理，這就要求上下位機之間的通信有清晰、準確的通信協議，來保證數據通信能夠有條不紊地進行。

　　為了滿足上、下位機軟件的可擴展性和通用性，通信協議采用數據幀的形式傳輸信息。協議幀格式見表2，它由起始符、長度碼、幀信息、幀校驗和終止符組成，成幀過程中采用了字符插入法和HEX校驗。

　　表2  協議幀格式

　　1）成幀方式

　　協議幀使用“DLE  STX”作為起始符，使用“DLE ETX”作為終止符，并采用字符插入法保證通信信息的正確。字符插入法的實現方法為：發送方搜索起始符和終止符間每個字節信息，若為“DLE”，即在該字節信息后插入一個“DLE”。接收方接收信息后也要搜索整個幀，若查找到連續兩個“DLE”，即將后一個 “DLE”刪除，還原成原信息內容。

　　2）幀校驗算法

　　協議幀采用HEX校驗保證通信信息的正確。HEX校驗的填充在字符插入之前實現，HEX校驗的驗證在插入字符刪除之后實現。實現方法為：發送方計算起始符和終止符間待發送數據的校驗和，然后將256與該校驗和的差填充于“HEX校驗”字節處。接收方計算起始符和終止符間包括HEX字節在內的接收數據校驗和，若為0，則校驗通過。