USB在同步相量測量單元中的應用

　　同步相量測量單元(PMU)測量裝置與上位計算機之間的通訊速率普遍較低，不能將測量數據及時傳送到上位機進行分析處理，通訊接口已成為整個系統性能提高的一個瓶頸，因此有必要使用一種傳輸速率、時延、穩定性均能滿足同步相量測量數據傳輸的通用接口。

　　采用USB接口作為上位機與下位機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，時延小，差錯率極低的特點來完成實時相量數據的傳輸。在USB接口的實際應用中，驅動程序的開發是最為困難的部分，由于USB接口誕生較晚，目前尚未成為多數單片微機的標準設備，還需要使用專門的接口芯片進行連接，用戶必須編寫相應的驅動程序將數據轉化為符合USB系統協議的格式進行傳輸。

　　本文敘述了ATMAGE128單片機使用PDIUSBD12接口芯片完成USB接口數據通訊的過程。通過驅動程序完成對相關硬件設備的操作。該驅動程序完成USB接口的中斷傳輸功能，用戶調用通用命令就可以像使用一個普通的存儲器一樣使用USB接口芯片。該接口實現了各采樣點的低延時上傳功能，可以在1ms內完成一個工頻周期全部采樣值的傳輸。

　　2 USB系統及其器件選擇介紹

　　2.1 USB體系概述

　　USB(Universal Serial Bus)是一種通用串行總線，為了實現整個計算機系統中總線的一致性，由COMPAQ/ INTEL/MICRSOFT和NEC等公司共同開發出的一種新的、快速的、雙向的、同步傳輸的并可以熱拔插的數據傳輸總線，簡稱USB總線。USB總線由以下四個主要部分構成：①主機和設備：是指USB系統中的主要構件。②物理構成：是指USB元件的連接方法。③邏輯構成：不同的USB元件所擔當的角色和責任，以及從主機和設備的角度出發USB總線所呈現的結構。④客戶軟件與設備功能接口的關系。

　　USB總線有四種數據傳輸方式：①控制傳輸：主要用于主機把命令傳給設備以及設備把狀態返回給主機。②中斷傳輸：用來支持那些偶然需要少量數據通信，但服務時間受限制的設備。③批量傳輸：用來傳輸大量的數據而沒有周期和傳輸速率的設備上。批量傳輸方式并不能保證傳輸的速率，但可以保證傳輸的可靠性，當出現錯誤的時候會要求發送方重發。④同步傳輸：以一個恒定的速率進行傳輸。同步傳輸的方式的發送和接收方都必須保證傳輸速率的匹配，不然會造成數據的丟失。

　　2.2 USB器件簡介及應用

　　實現USB傳輸的方法主要有使用接口轉換芯片和專用的接口芯片兩種。前者就是將USB接口轉換為標準的RS232接口使用，在操作方式和傳輸速度上與RS232接口完全相同。后者則可以實現真正的USB傳輸，使用USB1.1標準的接口芯片如PDIUSBD12可以達到最高12Mb/s的傳輸速率，使用USB2.0標準的接口芯片如ISP1581則可以達到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的下位機與上位機驅動程序，由于USB傳輸不同于串口傳輸，USB傳輸的方式都是通過協議規定的數據包來完成的，所以下位機的軟件必須實現對接口器件的硬件管理功能，及對協議發出的各種請求作出響應。而上位機驅動程序需完成對接口芯片的枚舉、地址分配等工作。

　　2.3 USB接口在本系統中的作用

　　USB接口在本系統中用來完成下位機與上位機的通訊，具體就是連接AVR單片機與PC，將下位機采集的數據及一些相關信息傳送到PC進行處理。傳輸的數據包括：①電壓值(每周期采樣64個點，12位數據)。②電流值(每周期采樣64個點，12位數據)。③同步時間信號(取自GPS)。

　　上位機在接收到這些信息后將會對其進行描點，故障錄波，遠程傳送等處理。12位的電壓電流數據都要經過變換，成為16位數據，占一個字節。每通道1秒鐘傳輸的數據在6KB以上，多個通道合計，接口的傳輸速率至少要40KB/s，這一要求已經超過RS232接口所能提供的傳輸速率。如果使用CAN總線進行傳輸，則硬件設備較為復雜。綜合比較后，采用PDIUSBD12作為接口芯片進行數據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。而且對上位機的要求也較為寬松，只要有USB接口的計算機都可以作為本系統的上位機。

　　3 ATMAGE128單片機

　　3.1 ATMAGE128單片機介紹

　　ATMAGE128單片機是由ATMEL公司出品的一款高性能低功耗的8位微型控制器，最高時鐘頻率可以達16MHz。片內集成有容量為128KB的閃存作為程序存儲器，4KB的EEPROM，以及4KB的片內存儲器，最高可支持64KB的片外存儲器。

　　3.2 開發過程簡述

　　TMAGE128的開發一般是由ATMEL公司提供的免費仿真工具avrstudio完成的，與常用的51單片機略有不同，使用c語言進行開發的時候必須使用第三方編譯器對源代碼進行編譯后才能在仿真環境下運行。本次采用的是icc作為編譯器，本文所有的單片機程序都在此環境下運行調試。USB接口器件采用總線控制方式，數據傳輸形式采用中斷傳輸。USB接口器件在使用上與一個普通的外部存儲器相同，所有的控制與數據傳輸都必須對ATMAGE128中相應的寄存器進行讀寫操作才能完成。

　　4 USB驅動程序MCU部分

　　MCU即設備方控制器，可以是各類型單片機或者是PC，它們的驅動程序在結構上是類似的，而具體的代碼，由于使用的系統環境不同，存在較大差異，下面就詳細說明以ATMAGE128單片機作為設備方控制器的USB驅動程序結構以及具體實現的代碼。

　　4.1 程序整體結構

　　對于CPU而言，PDIUSBD12芯片與一個外部存儲器完全相同，CPU通過總線控制的方式對PDIUSBD12進行操作。USB接口的傳輸并不會占用許多CPU資源，CPU可以執行前臺操作，而USB接口傳輸的工作則在后臺完成，兩者之間通過中斷服務程序連接。當PDIUSBD12 從USB 收到一個數據包，那么就對CPU 產生一個中斷請求，CPU 立即響應中斷。在ISR中固件將數據包從PDIUSBD12 內部緩沖區移到循環數據緩沖區，并在隨后清零PDIUSBD12 的內部緩沖區以使能接收新的數據包CPU 可以繼續它當前的前臺任務直到完成，然后返回到主循環檢查循環緩沖區內是否有新的數據，并開始其它的前臺任務。無論是上傳或者下載數據都是對循環緩沖區內的數據進行處理，主循環只要檢查循環緩沖區內是否有要處理的新數據。程序整體結構框圖如圖１所示。

　　各模塊分工如下：

　　(1)硬件提取層：對單片機的I/O口、數據總線等硬件接口進行操作。

　　(2)PDIUSBD12命令接口：對PDIUSBD12器件進行操作的模塊子程序集。

　　(3)中斷服務程序：當PDIUSBD12向單片機發出中斷請求時，讀取PDIUSBD12的中斷傳輸來的數據，并進行相關處理。

　　(4)標準請求處理程序：對USB的標準設備請求進行處理。

　　(5)廠商請求處理程序：對用戶添加的廠商請求進行處理。

　　(6)主循環程序：發送USB請求、處理USB總線事件和用戶功能處理等。

　　圖1 USB驅動MCU整體結構圖

　　4.2 硬件提取層相關程序

　　硬件提取層執行對單片機I/O口、數據總線等的操作，包含向PDIUSBD12發送數據或命令的子程序及從PDIUSBD12讀取數據的子程序，該部分代碼需對地址總線和數據總線進行直接操作。PDIUSBD12的任何操作都是由命令指令和數據指令組合完成的，通過改變A0引腳的電平就可以完成命令模式/數據模式的切換。

　　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。在命令接口中調用了硬件提取層中的子程序。PDIUSBD12的所有功能都必須由類似的方法完成，先發送一條命令，然后寫該命令的具體參數。有的命令參數是多個字節的，如設置模式命令，此時就必須調用兩次寫數據線的指令。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 中斷服務程序

　　中斷服務程序代碼處理由PDIUSBD12產生的中斷，它將數據從PDIUSBD12內部的緩沖區內取出，并建立正確的標志，通知主循環進行處理。當PDIUSBD12向單片機發出中斷請求后，單片機調用讀取中斷寄存器的標準命令接口子程序d12_readinterruptregister( )來決定中斷源，然后跳轉到相應的中斷服務子程序進行處理。中斷服務程序從PDIUSBD12收集數據，而主循環程序對數據進行處理。當中斷服務程序收集到足夠的數據時，它通知主程序已經做好準備等待處理。例如在發送數據包階段建立包時，中斷服務程序將建立包和數據都存入緩沖區內，然后將setup_packet標志送到主循環，這樣主循環就可以節省不必要的服務時間。

　　4.5 總線復位和掛起

　　當接收到總線復位或掛起的請求時，中斷服務程序將bus_set或suspends標志位置位，然后退出。

　　控制傳輸總是由建立階段開始，之后為可選的數據階段，然后結束于狀態階段。單片機需通過選擇控制輸出端點來提取建立包的內容來決定端點是為滿還是為空。如果控制端點是為滿，單片機將從緩沖區內讀出內容并將其存入存儲區。之后，單片機將從存儲區使主設備請求生效。如果是一個有效的請求，單片機需向控制端點發送應答建立命令，以重新使能下一個建立階段。接下來單片機需要證實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現。

　　建立階段結束后，主機就會執行數據階段。PDIUSBD12等待接收控制輸入包。單片機首先需要讀取最后處理狀態寄存器清零中斷標志位。確認PDIUSBD12處于傳輸模式后，進行數據包的發送。

　　當下一個控制輸入標志來到時，單片機將確定剩余的字節是否為零。如果已經沒有數據要發送，單片機需要發送一個空的包以指示主機數據已經發送完畢。如果建立包的為獲得描述符請求，那么建立包中的控制傳輸將指示此包為控制寫類型。在執行完獲得描述符請求過程后，單片機處于等待數據階段。主機發送一個控制輸出的標志，單片機從PDIUSBD12緩沖區內減去數據。此時單片機確認PDIUSBD12是否處于USB接收模式，然后單片機通過檢查選擇控制輸出端點確認緩沖區是否已滿，并將數據從緩沖區內讀出。