基于CH375多通道USB接口与PC机通信的实现

基于CH375多通道USB接口与PC机通信的实现作者：杨全玖张…文章来源：微计算机信息点击数：2649更新时间：2007-6-1116:39:07摘要：利用USB接口技术，采用USB模块CH375，在加速器核辐射监测系统中实现了多个探测通道USB接口与计算机通信。给出了CH375与单片机接口电路的原理简图，并详细介绍了实现多通道USB数据传输的上、下位机的程序设计。关键词：USB接口，加速器，核辐射监测系统，多通道正离子静电加速器在运转过程中会产生能量较高的γ﹑X和快中子等多种放射性辐射，对周围的环境造成污染，对生命造成危害[1]。由于其体积庞大，辐射范围广，需设计一个多探测端的多通道同步核辐射监测系统，针对加速器周围环境进行辐射防护监测。每个探测端属于一个探测通道，它们相互独立。各通道将采集到的数据传输给上位机（主控计算机）。上位机进行数据处理并显示各个探测端的辐射强度及吸收剂量。若采用串口（RS232）实现多通道传输，各通道每次向上位机传输的数据容量大（16K），而串口传输速度慢，花费的时间长。在通信过程中，相应通道进入中断服务程序后，不能够再采集新的信号，更加严重地影响了系统的探测效率。于是就采用CH375构成的USB接口进行数据传输。速率可提高到1Mbit/s以上。同时USB所具有的即插即用、通用性强、易扩展、可靠性好等优点[2,3]也极大地改善了接口的使用性能。1CH375模块[4]简介USB模块CH375是一个USB总线的通用设备接口芯片，用户无需编写驱动程序，内置有USB通讯中的底层协议，完全满足USB1.1标准。具有8位数据总线（D0～D7）、地址输入（A0）、读（RD#）、写（WR#）、片选控制线（CS#）以及中断输出（INT#），可以方便地挂接到单片机的数据总线上。当A0为低电平时选择数据端口，单片机通过8位并口对CH375进行读写数据；为高电平时选择命令端口，可以向其写入命令。在本地端，单片机对CH375的操作是采用命令加数据的I/O操作方式，任何操作都是先发命令（其命令格式参考文献3）给CH375，然后执行数据输入输出。CH375接收到上位机发送的数据或者发送完给上位机的数据后，以中断方式通知单片机。将CH375芯片的驱动程序、动态链接库拷贝到上位机中，利用CH375动态链接库DLL提供的API函数对其进行操作，对USB设备的通信就几乎和访问本地硬盘中的文件差不多了。2具有多个USB接口的多通道数据采集系统图1是加速器的核辐射监测系统。是个具有多个USB接口的多通道数据采集系统。该系统可安装连接多个探测端（最多128个）。监测不同的放射性辐射时，装配相应的探测器。每个探测通道的工作原理及电子线路都相同，分别连接到USB扩展卡上。多道分析器采用高性能AVR单片机ATmega128作为控制器。ATmega128运用Harvard结构概念，具有预取指令功能，机器周期为1个时钟周期，绝大多数指令为单周期指令，工作频率为16MHz时可达到16MIPS的性能[5]。用其控制高速模数转换电路，把探测器输出的模拟量转换成计算机可接收的数字量，进行存储，等待上位机的读取。图1加速器多通道核辐射监测系统结构图单一探测通道，用CH375构成的USB接口电路原理如图2所示。各通道接收到上位机发出读取数据命令后，由ATmega128控制将所有探测数据通过USB接口电路传输给上位机。图2CH375构成的USB接口电路原理图3多个通道USB接口的软件设计各通道的USB模块CH375在计算机应用层与其本地端单片机ATmega128之间提供了端对端的连接。统一采用数据加应答方式进行通信，所有的通信都由计算机应用层发起，然后以接收到单片机的应答结束。单一通道完整的通信过程包括：①计算机应用层按事先约定的格式将数据请求发送给CH375；②CH375以中断方式通知单片机。③单片机进入中断服务程序，获取CH375的中断状态并分析；④如果是上传（上传缓冲区的数据被计算机成功读取），则释放当前USB缓冲区，然后退出中断程序；⑤如果是下传（下传缓冲区成功接收到计算机发送的数据），则从数据下传缓冲区读取数据块；⑥分析接收到的数据块，如果是数据请求上传命令，准备应答数据（采集数据）；⑦单片机将采集数据写入数据上传缓冲区中，然后退出中断程序；⑧CH375将采集数据返回给计算机；⑨计算机应用层接收到应答数据，传输结束；该通讯方式具有数据自动同步、程序设计简单、较好的交互性和可控性等优点。计算机定时以此方式顺次访问各通道，获取各通道采集到的数据。3.1单片机端的程序设计各通道单片机端程序设计相同。ATmega128中断1（INT1）作为USB的中断入口（参考图2），采用数据加应答方式，其中断1服务处理程序设计流程图如图3所示。图3单片机端ATmega128中断服务处理程序流程图采用C语言编程，编写单片机端ATmega128中断1服务处理程序的基本框架如下所示：voidint1_isr(void)//USB中断入口程序{CH375_WR_CMD_PORT(CMD_GET_STATUS)；//向CH375发送中断状态获取命令InterruptStatus=CH375_RD_DAT_PORT()；//获取中断状态，并通知CH375取消中断请求//分析中断状态，并做相应处理if(InterruptStatus==USB_INT_EP2_OUT)//数据下传{CH375_WR_CMD_PORT(CMD_RD_USB_DATA)；//向CH375发送读数据命令RD_Data=CH375_RD_DAT_PORT()；//从CH375下传缓冲区读取数据块………//分析接收到的数据块CH375_WR_CMD_PORT(CMD_WR_USB_DATA7)；//向CH375发送写数据命令CH375_WR_DAT_PORT(DATA)；//将采集数据DATA写入CH375数据上传缓冲区return；}If(InterruptStatus==USB_INT_EP2_IN)//数据上传{CH375_WR_CMD_PORT(CMD_UNLOCK_USB)；//释放当前USB缓冲区return；}}3.2计算机端的程序设计采用VisualC++作为计算机端应用软件的开发平台，以实现两通道USB数据传输为例，计算机端程序设计流程图如图4所示。USB设备1即指通道1；USB设备2即指通道2。图4计算机端两通道USB数据传输程序设计流程图利用MFC（微软基础类）定时器函数[6]，计算机定时顺序访问两通道，获取采集数据。编写计算机端定时中断处理程序的基本框架如下所示：OnTimer(UINTnIDEvent)//定时函数入口{if(CH375OpenDevice(0)==INVALID_HANDLE_VALUE)//打开USB设备1（通道1USB模块CH375），返回句柄，出错无效………if(CH375OpenDevice(1)==INVALID_HANDLE_VALUE)//打开USB设备2………if(CH375WriteData(0,WriteBuf,&length))//发送数据请求命令给USB设备1，成功发送后返回真。WriteBuf指向放置准备写出数据的缓冲区。Length指向长度单元，输入时为准备写出的长度，返回后为实际写出的长度。………if(CH375ReadData(0,ReadBuf,&length))//从USB设备1读取采集数据，成功读取后返回真。ReadBuf为指向用于保存读取数据的缓冲区。Length指向长度单元，输入时为准备读取得长度，返回后为实际读取得长度。………CH375CloseDevice(0)；//关闭USB设备1if(CH375WriteData(1,WriteBuf,&length))//发送数据请求命令给USB设备2………if(CH375ReadData(1,ReadBuf,&length))//从USB设备2读取采集数据………CH375CloseDevice(1)；//关闭USB设备2}4结束语采用CH375进行USB数据传输速率高，达到1Mbit/s以上。而且无需编写复杂的USB驱动程序，利用其动态链接库即可实现多通道USB接口与PC机通信。研发简单，易于实现，可以使数据传输系统非常方便的从RS232总线转向USB总线，弥补其速度慢的缺点，进行系统升级。并且USB所具有的各种优越性能，也必将使这种接口电路在数据传输中得到更广泛的应用。参考文献[1]谢一冈,陈昌,王曼,等.粒子探测器与数据获取[M].北京:科学出版社,2003.529-532.[2]周建斌,黄锦华.USB接口技术在核谱测量系统中的应用研究[J].核电子学与探测技术.2004,24(5).-506-510[3]胡荣强,郝艳杰.USB接口在数据采集系统中的应用[J].微计算机信息.2005,21(1).-51-52[4]南京沁恒电子有限公司.USB总线接口芯片CH375.[5]宋建国.AVR单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000.22-26[6]DavidSimon,周瑜萍,等.VisualC++6编程宝典[M].电子工业出版社,2005.314-317