基于USB通信的多功能智能插座

3．2 通信硬件電路設(shè)計(jì)

　　本文我們選用89C52單片機(jī)作為該系統(tǒng)的微控制器。PDIUSBD12和89C52的電路連接如圖1所示：

圖1 USB接口通信電路

3．3 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．3．1 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

　　Windows2000提供了一些常見USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,但是要使D12構(gòu)成的USB設(shè)備正常工作仍需要自己編寫驅(qū)動(dòng)程序。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù),但編制驅(qū)動(dòng)程序仍然是USB開發(fā)中最困難的,通常采用Windows DDK來實(shí)現(xiàn)。

3．3．2 USB設(shè)備固件（firmware）設(shè)計(jì)

　　設(shè)備固件是設(shè)備運(yùn)行的核心，采用匯編語言設(shè)計(jì)。其主要功能是控制芯片PDIUSBD12接受并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請求（如請求設(shè)備描述符、請求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)、請求設(shè)備設(shè)置、請求或設(shè)置設(shè)備接口等共10種USB1.1標(biāo)準(zhǔn)請求）；控制芯片PDIUSBD12接受應(yīng)用程序的控制指令；控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集；通過PDIUSBD12存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳PC。

　　下位機(jī)程序主要的工作是初始化D12,通過D12進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及按協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。USB單片機(jī)控制程序通常由三部分組成：第一,初始化部分,完成單片機(jī)和所有的外圍電路(包括D12)的初始化；第二,主循環(huán)部分,等待來自數(shù)據(jù)采集設(shè)備或上位機(jī)的數(shù)據(jù),并啟動(dòng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換程序,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,是固件的主體部分；第三,中斷服務(wù)程序,由上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備觸發(fā),進(jìn)行一些低工作量的實(shí)時(shí)處理(如置相應(yīng)標(biāo)志位),然后在主循環(huán)部分對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理。

PDIUSBD12的初始化過程如下：

　　(1) 設(shè)置地址使能；

　　(2) 設(shè)置端點(diǎn)(EndPoint)使能(這時(shí)候LED亮)；

　　(3) 軟斷開(Disconnect)；

　　(4) 延時(shí)(1～2ｓ)；

　　(5) 軟連接(Soft Connect ,用Set Mode命令,此時(shí)LED滅)；

　　(6) 中斷使能,等待中斷。

　　(7)響應(yīng)來自主機(jī)的Setup包,完成枚舉。步驟3～5就是利用Soft Connect TM技術(shù),不必進(jìn)行物理插拔而使主機(jī)初始化USB總線。雖然USB協(xié)議對枚舉過程作了統(tǒng)一的規(guī)定,但是不同公司的芯片實(shí)現(xiàn)起來可能有所不同。USB枚舉的過程實(shí)際上就是主機(jī)和USB設(shè)備的一個(gè)握手過程：主機(jī)發(fā)送出包含某個(gè)枚舉請求的Setup包,USB設(shè)備響應(yīng)該請求并返回必要的信息。在主機(jī)得到USB通信所需要的所有USB設(shè)備的信息之后,枚舉即告結(jié)束。

　　D12構(gòu)成的USB設(shè)備的枚舉過程如下：(1)Get Device Descriptor：　主機(jī)請求代碼為8006000100004000,然后89C52通過D12發(fā)送設(shè)備描述符,第一次只需發(fā)送設(shè)備描述的前8個(gè)字節(jié),如：1201000100000010。(2)Set Address：　主機(jī)請求代碼為0005020000000000,說明主機(jī)設(shè)置其地址為0X02,收到該請求后D12只需使能該地址(0X82),并對控制輸入端寫0長度的數(shù)據(jù)。(3)讀取全部Device Descriptor：　主機(jī)請求代碼為8006000100001200,與1不同的是此時(shí)是讀取全部設(shè)備描述符,一般為18個(gè)字節(jié),可以分為多次傳輸,D12發(fā)送的前8字節(jié)與1相同,后10個(gè)字節(jié)為：71048888000100000001。其中,前兩個(gè)字節(jié)是廠商ID(VID),本例中的為0X0471,即分配給Philips公司的ID號。后兩個(gè)字節(jié)是設(shè)備ID(PID),設(shè)計(jì)定義為0X8888。VID和PID決定了驅(qū)動(dòng)程序的匹配,一定要與最后生成的主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序一致。(4)Get Config Descriptor：　主機(jī)請求代碼為8006000200000900,根據(jù)USB協(xié)議的定義,第四字節(jié)的0X02表明該請求是一配置描述符請求。D12發(fā)送9字節(jié)的配置描述符給主機(jī),為09022ｅ000101006001。(5)讀取全部Config Descriptor：　主機(jī)請求代碼為8006000200001200,此時(shí)D12必須把包括配置描述符、接口描述符、各端點(diǎn)(D12為四個(gè))的描述符在內(nèi)的所有的配置情況分多次發(fā)送給主機(jī)。(6)如果以上步驟都正確,主機(jī)將找到新設(shè)備,提示安裝驅(qū)動(dòng)程序,否則找到未知設(shè)備,不可用。安裝驅(qū)動(dòng)程序后,以后的每次設(shè)備插入,枚舉次序與以上步驟略有不同,之后會(huì)有Set Configuration、Get Configuration和Get Interface等調(diào)用。

3．3．3系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　PC機(jī)應(yīng)用程序是該插座數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心，采用VC++6.0編程。其功能主要有：開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道（pipe）、設(shè)置A/D狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集端口、實(shí)時(shí)從USB接口采集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)顯示并分析數(shù)據(jù)。程序主框圖如圖2所示：

4．工業(yè)用的智能監(jiān)測插座

4．1 USB通信在工業(yè)現(xiàn)場的局限

　　USB電纜的最大傳輸距離是5米，因此上述的USB通信方案僅適用于家庭用的監(jiān)測插座。即使增加了中繼或HUB,USB傳輸距離通常也不超過幾十米,這對工業(yè)現(xiàn)場而言顯然是太小了。目前,工業(yè)現(xiàn)場有大量采用RS－485傳輸數(shù)據(jù)的采集設(shè)備。RS－485總線傳輸距離可以達(dá)到1200ｍ以上,并且可以掛接多個(gè)設(shè)備。不足之處是傳輸速度慢、可靠性差、需要板卡的支持、成本高、安裝麻煩等。RS－485的這些缺點(diǎn)恰好能被USB所彌補(bǔ),而USB傳輸距離的限制又是RS－485的優(yōu)勢所在。為此，我們采用一種RS－485和USB的接口轉(zhuǎn)換卡來解決上述問題。