摘 要： 針對特殊測試環境下傳統數據采集系統存儲、傳輸數據的不便，設計了一種基于雙模式USB接口的數據采集系統。該系統以CH375為USB接口芯片，STC12C5A60S2單片機為處理器，構成主從單片機系統，用于某型數字式隨動系統的性能測試。該系統采用USB主/從雙模式的采集方案，可將數據保存于USB移動存儲設備或直接上傳至PC機，大大提高了測試效率。
關鍵詞： 數據采集； 雙模式； USB；多處理器
現代軍事、工業自動化設備功能不斷完善、集成化程度越來越高，這就對配套的數據采集以及檢測系統提出了更高要求。特別是條件惡劣、野外以及空間狹小封閉的測試環境中，不僅要求系統能夠快速穩定地完成數據采集，同時更需要將采集的數據保存于大容量存儲設備中，方便后續的分析處理[1]。目前，由于高速率、低成本、易擴展的優點，USB總線已成為計算機與外設之間數據交換的主流總線協議。采用USB接口的各種大容量移動存儲設備具有高速、抗震、穩定的優點，特別適用于以上的數據采集場合。
本文采用USB總線接口芯片CH375設計了具有主/從雙模式的多單片機數據采集系統，既能完成與上位機的實時通訊，也可在環境條件惡劣時作為便攜式系統完成采集數據在USB移動存儲設備上的轉存。
1 雙模式USB接口芯片CH375簡介
CH375是南京沁恒有限公司生產的USB總線通用接口芯片,支持USB-HOST主機方式與USB-DEVICE/SLAVE設備方式，并可動態切換。CH375具有8 bit數據總線，讀、寫、片選控制以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機等控制器的系統總線上。主機模式下，芯片還提供了串行通訊方式，控制器可以通過串口操作USB移動存儲設備。此外，CH375內置了處理Mass-Storange海量存儲設備的專用通訊協議固件，支持常用的USB全速設備，兼容USB2.0設備(U盤、閃盤以及USB移動硬盤)[2]。外部控制器可以通過該芯片直接以扇區為單位進行讀寫操作控制。如果需要處理與PC機兼容的文件系統，可以利用廠家提供的C語言子程序庫實現USB存儲設備的文件級接口，從而降低開發難度、節約成本。
2 硬件系統設計[3]
本文介紹的數據采集系統用于某型數字式隨動系統的性能測試，其硬件框圖如圖1所示。
系統硬件主要由主控單片機、信號調理模塊、USB通訊模塊、從控單片機組以及鍵盤顯示模塊五部分構成。工作時，先由主控單片機向從控單片機組發出測試開始指令，從控單片機組完成與被測隨動系統數控電路的通訊，一方面測試通訊情況是否正常，另一方面維持隨動系統正常工作。通訊測試結果經串行口由從控機組送回主控機，作為性能測試的部分結果數據。隨動系統正常運行后，信號調理模塊將被測信號濾波整理，分批送入主控單片機的ADC輸入端，主控單片機經CH375將被測數據寫入USB存儲設備或發送至PC機直接處理。
基于USB主機模式下文件級子程序庫編程的需要，主控單片機采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2。該單片機工作頻率可達35 MHz,具有1280 B片內RAM數據存儲器與60 KB片內Flash程序存儲器，8通道10 bit高速ADC，2個全雙工異步串行口[4]，完全滿足數據采集與CH375主/從雙模式的控制要求。
USB主機接口電路如圖2所示。CH375芯片工作于并口方式，將其TXD引腳接地，并行接口掛接到單片機系統總線上。其8 bit雙向數據總線D0~D7直接與單片機的P0數據總線相連，地址輸入線A0，讀、寫選通引腳RD、WR和片選信號CS，分別連接至單片機的P5.0~5.3引腳。中斷請求輸出INT連接到單片機的中斷輸入INT0引腳，中斷請求為低電平有效。
從控單片機組共有4片STC12C5A60S2，每片第一串口與主控機相連，實現主、從機數據與控制傳輸。其中3片經并行口、1片經第二串行口與隨動數控電路通訊。從控機與隨動系統數控電路進行并口通訊的各信號線包括：8 bit數據總線D0～D7，通訊啟動信號START，應答信號ACK，同步信號SYN，中斷信號INT。
系統工作模式由主控單片機外接鍵盤動態切換。開機后默認工作于主機模式，等待USB存儲設備連接。單片機檢測存儲設備連接并判斷符合要求后，系統可正常測試采集數據，并轉存于外接存儲設備，供后期導入PC機分析處理。測試條件允許時，也可將系統設置為與PC機直接相連的從機模式。這時，數據采集過程完全由上位機控制，可實現較為復雜的性能參數與故障分析測試，提高工作效率。
3 雙模式系統軟件設計
使用51系列兼容單片機C語言編程軟件Keil uVision3編寫單片機程序，完成數據采集、通訊控制、數據處理等功能。主程序流程如圖3所示。
3.1 主機模式程序設計
廠家提供了適用于單片機操作U盤的文件級子程序庫CH375HF6.LIB，將主機模式下處理USB存儲設備的API進行了封裝，支持FAT12、FAT16和FAT32文件系統[5]。該文件級子程序庫的所有API函數在調用后都有操作狀態返回，但不一定有應答數據，API參數在CH375HF6.H文件內進行說明。調用的API子程序主要有:芯片初始化CH375Init( ),查詢設備準備好CH375DiskReady(),查詢存儲設備信息CH375DiskQuery(),新建文件CH375FileCreate()，打開文件CH375FileOpen()，寫文件數據CH375ByteWrite()，關閉文件CH375FileClose()等[6]。操作U盤存儲采集數據的程序流程如圖4所示。
采用Keil編寫U盤操作程序時，需要將CH375HF6.LIB庫文件和CH375HF6.H添加到項目中。主機模式單片機程序基本框架如下：
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_SET_USB_MODE);
//設置USB工作模式
CH375_WR_DAT_PORT(6);
//模式代碼，已啟用的USB主機模式 DelayuS(20);
//延時
while(CH375DiskConnect( )!=ERR_SUCCESS)
//查詢U盤是否連接
DelaymS(200); //延時，等待U盤工作正常
while(CH375DiskReady( )!=ERR_SUCCESS)
//檢查U盤是否準備好
……
CH375DiskQuery( );
//查詢U盤信息：總容量、剩余容量、文件系統
……
while ( i!=ERR_SUCCESS )
{strcpy( mCmdParam.Open.mPathName, "\\TEST" );
//目錄名
i=CH375FileOpen( );} //打開目錄
while(i!=ERR_SUCCESS)
{strcpy(mCmdParam.Open.mPathName,TestData);
//輸入文件名
i=CH375FileOpen( ); } //打開文件
……
mCmdParam.Write.mSectorCount=SecCount;
//寫入所有扇區的數據
current_buffer=& FILE_DATA_BUF[0];
//設置存放數據的緩沖區的起始地址
CH375FileWrite( ); //向文件寫入數據
……
CH375FileClose( ); //關閉文件
3.2 從機模式
此模式下，單片機通過CH375與PC機進行通訊，完成采集方案下載與數據上傳，程序流程圖如圖5所示。
單片機重新初始化CH375并設置為設備工作模式。測試芯片正常連接后，系統可接收PC機發送的數據。主控單片機根據下載的采集方案進行采集測試，并將結果數據存入采集緩沖區，待緩沖區滿，則向PC機請求上傳。采集結束，數據全部上傳，系統完成一個從機模式采集工作過程。從機模式單片機程序基本框架如下：
CH375Init(); //初始化CH375
DelaymS(50); //延時
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_SET_USB_MODE);
//設置USB工作模式
CH375_WR_DAT_PORT(2);
//模式代碼，已啟用的內置固件USB設備模式 DelayuS(20);
//延時
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_CHECK_EXIST);
//測試工作狀態
CH375_WR_DAT_PORT(0x57); //寫入測試數據 DelayuS(10);
//延時
If(CH375_RD_DAT_PORT( )==0xA8);
//讀出測試數據是否按位取反，判斷工作狀態
……
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS);
//中斷子程序中，讀取中斷狀態命令
int_sn=CH375_RD_DAT_PORT( ); //讀中斷號 ……
if (int_sn ==USB_INT_USB_EP2_OUT)
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_RD_USB_DATA);
//讀取上位機測試方案數據并釋放緩沖區
……
test_all( ); //按下載方案測試采集數據
……
While (flag_upload == 0) //數據上傳未結束
{
……
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA 7);
//批量上傳采集數據
CH375_WR_DAT_PORT(n); //寫入上傳字節數
for (i=0;i<n;i++) //每次上傳n字節
CH375_WR_DAT_PORT(*test_buf ++);
//上傳采集結果，指針自動加1
……
}
……
if (int_sn ==USB_INT_USB_EP2_IN)
//中斷子程序中，中斷號為端點2發送數據完畢
CH375_WR_CMD_PORT(CMD_UNLOCK_USB);
//釋放緩沖區
基于CH375雙模式USB接口芯片,設計完成了主/從雙模式的數據采集測試系統。充分利用接口即插即用、便攜式的特點，解決了特殊環境下的測試困難問題。同時，系統具有雙模式、多單片機的優勢，能夠滿足高標準的測試需求，具有廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] 薛小鈴,李麗華.一種U盤存儲的數據采集系統的設計[J].閩江學院學報, 2008,29(5):44-47.
[2] 南京沁恒電子有限公司.USB總線接口芯片CH375中文手冊[EB /OL].[2005].http://wch.cn/download/ch375ds1.pdf
[3] 蔣樂濤.某型數字化隨動系統分析及調測系統設計[D]. 南京：南京理工大學,2008.
[4] 宏晶科技有限公司.STC12C5A60S2系列單片機器件手冊[EB/OL].[2009.6]. http://www.mcu-memory.com/
datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C5A60S2.pdf
[5] 湯劍靈,高玉.USB通信芯片CH375在數據交換中的應用[J].電子工程師,2007,33(10).
[6] 位耀東,馬海濤,董春波.基于雙模式USB接口的便攜式比色計設計[J].微計算機信息,2009,25(6-2).