USB总线正在同步相量丈量单位中的操纵

　　1 引行

　　同步相量测量单位(PMU)测量装配取上位较量争辩机之间的通信速度普遍较低，没有克没有及将测量数据及时传送到上位机进行分解处置处罚，通信接口已成为整个体系机能提高的一个瓶颈，是以有必要使用一种传输速度、时延、稳定性均能满足同步相量测量数据传输的通用接口。

　　采取USB接口作为上位机取下位机的通信接口体例可以解决这些题目。操纵USB接口中止传输速度年夜，时延小，没有对率极低的特面去完成及时相量数据的传输。正在USB接口的实践操纵中，驱动法度圭臬标准的斥地是最为困难的局部，由于USB接口降生较晚，而今尚未成为多半单片微机的标准设备，借需求使用专门的接口芯片进行跟尾，用户必须编写相应的驱动法度圭臬标准将数据转化为切合USB体系和道的格局进行传输。

　　本文叙道了ATMAGE128单片机使用PDIUSBD12接口芯片完成USB接口数据通信的历程。颠末驱动法度圭臬标准完成对相关硬件设备的操纵。该驱动法度圭臬标准完成USB接口的中止传输从命，用户调用通用下令便可以像使用一个普通的存储器一样使用USB接口芯片。该接口实现了各采样面的低延时上传从命，可以正在1ms内完成一个工频周期全数采样值的传输。

　　2 USB体系及其器件选择引睹

　　2.1 USB体系概述

　　USB(Universal Serial Bus)是一种通用串行总线，为了实现整个较量争辩机体系中总线的平等性，由COMPAQ/ INTEL/MICRSOFT和NEC等公司共同开收回的一种新的、快速的、单向的、同步传输的并可以热拔插的数据传输总线，简称USB总线。USB总线由以下四个重要局部构成：①主机和设备：是指USB体系中的重要构件。②物理构成：是指USB元件的跟尾手法。③逻辑构成：好异的USB元件所担任的角色和任务，和从主机和设备的角度出发USB总线所显现的结构。④客户软件取设备从命接口的关系。

　　USB总线有四种数据传输体例：①把握传输：重要用于主机把下令传给设备和设备把形态返回给主机。②中止传输：用去支撑那些奇然需求年夜批数据通疑，但就事工妇受限定的设备。③批量传输：用去传输年夜量的数据而出有周期和传输速度的设备上。批量传输体例并没有克没有及包管传输的速度，但可以包管传输的坚韧性，当泛起错误的时间会要求发送方重发。④同步传输：以一个恒定的速度进行传输。同步传输的体例的发送和领受方皆必须包管传输速度的婚配，没有然会制成数据的丢失。

　　2.2 USB器件简介及操纵

　　实现USB传输的体例重要有使用接口转换芯片和公用的接口芯片两种。前者就是将USB接口转换为标准的RS232接口使用，正在操纵体例和传输速度上取RS232接口完整雷同。后者则可以实现真实的USB传输，使用USB1.1标准的接口芯片如PDIUSBD12可以到达最高12Mb/s的传输速度，使用USB2.0标准的接口芯片如ISP1581则可以到达480Mb/s的传输速度。假设要使用公用的USB接口芯片便必须编写相应的下位机取上位机驱动法度圭臬标准，由于USB传输好异于串口授输，USB传输的体例皆是颠末和道规定的数据包去完成的，所以下位机的软件必须实现对接口器件的硬件经管从命，及对和道收回的种种要求作出呼应。而上位机驱动法度圭臬标准需完成对接口芯片的枚举、天址分配等工作。

　　2.3 USB接口正在本体系中的传染

　　USB接口正在本体系中用去完成下位机取上位机的通信，具体就是跟尾AVR单片机取PC，将下位机支罗的数据及一些相关疑息传送到PC进行处置处罚。传输的数据包孕：①电压值(每周期采样64个面，12位数据)。②电流值(每周期采样64个面，12位数据)。③同步工妇疑号(取自GPS)。

　　上位机正在领遭到这些疑息后将会对其进行描面，妨碍录波，长途传送等处置处罚。12位的电压电流数据皆要颠终变换，成为16位数据，占一个字节。每通道1秒钟传输的数据正在6KB以上，多个通道合计，接口的传输速度至少要40KB/s，这一要求已横跨RS232接口所能供给的传输速度。假设使用CAN总线进行传输，则硬件设备较为复杂。综合对照后，采取PDIUSBD12作为接口芯片进行数据传输是较适宜的选择。采取塑料极小启装的PDIUSBD12可以很简单安设正在电路板上。而且对上位机的要求也较为宽松，只要有USB接口的较量争辩机皆可以作为本体系的上位机。

　　3 ATMAGE128单片机

　　3.1 ATMAGE128单片机引睹

　　ATMAGE128单片机是由ATMEL公司出品的一款高机能低功耗的8位微型把握器，最高时钟频率可以达16MHz。片内集成有容量为128KB的闪存作为法度圭臬标准存储器，4KB的EEPROM，和4KB的片内存储器，最高可支撑64KB的片外存储器。

　　3.2 斥地历程简述

　　TMAGE128的斥地凡是为由ATMEL公司供给的免费仿真对象avrstudio完成的，取经常使用的51单片机略有好异，使用c语行进行斥地的时间必须使用第三方编译器对源代码进行编译后才气正在仿真环境下运行。本次采取的是icc作为编译器，本文十足的单片机法度圭臬标准皆正在此环境下运行调试。USB接口器件采取总线把握体例，数据传输情势采取中止传输。USB接口器件正在使用上取一个普通的外部存储器雷同，十足的把握取数据传输皆必须对ATMAGE128中相应的存放器进行读写操纵才气完成。

　　4 USB驱动法度圭臬标准MCU局部

　　MCU即设备方把握器，可所以各类型单片机年夜概是PC，它们的驱动法度圭臬标准正在结构上是雷同的，而具体的代码，由于使用的体系环境好异，存正在较年夜好异，上里便具体道明以ATMAGE128单片机作为设备方把握器的USB驱动法度圭臬标准结构和具体实现的代码。

　　4.1 法度圭臬标准整体结构

　　对付CPU而行，PDIUSBD12芯片取一个外部存储器完整雷同，CPU颠末总线把握的体例对PDIUSBD12进行操纵。USB接口的传输并没有会占用很多CPU资源，CPU可以实施前台操纵，而USB接口授输的工作则正在布景完成，二者之间颠末中止就事法度圭臬标准跟尾。当PDIUSBD12 从USB 支到一个数据包，那么便对CPU 产生一个中止要求，CPU 坐刻呼应中止。正在ISR中固件将数据包从PDIUSBD12 内部缓冲区移到循环数据缓冲区，并正在随后浑零PDIUSBD12 的内部缓冲区以使能领受新的数据包CPU 可以继绝它当前的前台任务直到完成，然后返回到主循环检查循环缓冲区内可否有新的数据，并起头其它的前台任务。不管是上传年夜概下载数据皆是对循环缓冲区内的数据进行处置处罚，主循环只要检查循环缓冲区内可否有要处置处罚的新数据。法度圭臬标准整体结构框图如图１所示。

　　各模块分工如下：

　　(1)硬件提取层：对单片机的I/O口、数据总线等硬件接口进行操纵。

　　(2)PDIUSBD12下令接口：对PDIUSBD12器件进行操纵的模块子法度圭臬标准集。

　　(3)中止就事法度圭臬标准：当PDIUSBD12向单片机收回中止要求时，读取PDIUSBD12的中止传输去的数据，并进行相关处置处罚。

　　(4)标准要求处置处罚法度圭臬标准：对USB的标准设备要求进行处置处罚。

　　(5)厂商要求处置处罚法度圭臬标准：对用户加加的厂商要求进行处置处罚。

　　(6)主循环法度圭臬标准：发送USB要求、处置处罚USB总线事变和用户从命处置处罚等。

　　

　　图1 USB驱动MCU整体结构图

　　4.2 硬件提取层相关法度圭臬标准

　　硬件提取层实施对单片机I/O口、数据总线等的操纵，搜罗向PDIUSBD12发送数据或下令的子法度圭臬标准及从PDIUSBD12读取数据的子法度圭臬标准，该局部代码需对天址总线和数据总线进行直接操纵。PDIUSBD12的任何操纵皆是由下令指令和数据指令组合完成的，颠末改变A0引脚的电平便可以完成下令模式/数据模式的切换。

　　4.3 下令接口

　　该局部是由一系列下令接口儿法度圭臬标准构成的，搜罗了十足PDIUSBD12给出的接睹从命接口的下令。正鄙人令接口中调用了硬件提取层中的子法度圭臬标准。PDIUSBD12的十足从命皆必须由雷同的体例完成，先发送一条下令，然后写该下令的具体参数。有的下令参数是多个字节的，如设置模式下令，此时便必须调用两次写数据线的指令。下令接口法度圭臬标准的编写格局相对勾当，按照PDIUSBD12道明书中给出的下令汇总表按序编写便可。

　　4.4 中止就事法度圭臬标准

　　中止就事法度圭臬标准代码处置处罚由PDIUSBD12产生的中止，它将数据从PDIUSBD12内部的缓冲区内取出，并创坐正确的标记，通知主循环进行处置处罚。当PDIUSBD12向单片机收回中止要求后，单片机调用读取中止存放器的标准下令接口儿法度圭臬标准d12_readinterruptregister( )去决定中止源，然后跳转到相应的中止就事子法度圭臬标准进行处置处罚。中止就事法度圭臬标准从PDIUSBD12支集数据，而主循环法度圭臬标准对数据进行处置处罚。傍边断就事法度圭臬标准支集到足够的数据时，它通知主法度圭臬标准已做好预备期待处置处罚。例如正在发送数据包阶段创坐包时，中止就事法度圭臬标准将创坐包和数据皆存进缓冲区内，然后将setup_packet标记送到主循环，这样主循环便可以节流没有用要的就事工妇。

　　4.5 总线复位和挂起

　　当领遭到总线复位或挂起的要求时，中止就事法度圭臬标准将bus_set或suspends标记位置位，然前进出。

　　把握传输总是由创坐阶段起头，之后为可选的数据阶段，然后结束于形态阶段。单片机需颠末选择把握输出端面去提取创坐包的内容去决定端面是为满借是为空。假设把握端面是为满，单片机将从缓冲区内读出内容并将其存进存储区。之后，单片机将从存储区使主设备要求生效。假设是一个有效的要求，单片机需向把握端面发送应问创坐下令，以从头使能下一个创坐阶段。接下去单片机需求证明传输是把握读借是写，这可以颠末创坐包重定向的要求类型位去实现。

　　创坐阶段结束后，主机便会实施数据阶段。PDIUSBD12期待领受把握输进包。单片机起首需求读取末了处置处罚形态存放器浑零中止标记位。确认PDIUSBD12处于传输模式后，进行数据包的发送。

　　当下一个把握输进标记去到时，单片机将确定残剩的字节可否为零。假设已出稀有据要发送，单片机需求发送一个空的包以指导主机数据已发送终了。假设创坐包的为得到描写符要求，那么创坐包中的把握传输将指导此包为把握写类型。正在实施完得到描写符要求历程后，单片机处于期待数据阶段。主机发送一个把握输出的标记，单片机从PDIUSBD12缓冲区内加去数据。此时单片机确认PDIUSBD12可否处于USB领受模式，然后单片机颠末检查选择把握输出端面确认缓冲区可否已满，并将数据从缓冲区内读出。

　　4.6 标准要求处置处罚法度圭臬标准

　　标准设备要求是由USB和道决定的，由主机收回，以数据包的情势传送到单片机。当单片机领遭到这些标准设备要求时便转进相应的处置处罚法度圭臬标准。其历程包孕：①获得形态。②浑除特点。③设置特点。④设置天址。⑤获得设备描写符。⑥设置配置。⑦获得配置疑息。⑧获得接口疑息。⑨设置接口。⑩同步帧。此中同步帧用去设置和陈述一个端面的同步帧，正在同步传输中才使用，假设设备没有支撑这个要求，返回避免标记。

　　4.7 主循环法度圭臬标准

　　主循环法度圭臬标准重要从命是设置单片机的初始化，和设定各个相关子法度圭臬标准的入口。由于使用了中止就事法度圭臬标准和一系列的下令接口儿法度圭臬标准，主循环法度圭臬标准中触及USB接口的局部只是设定相关的存放器。

　　5 USB驱动法度圭臬标准上位机局部

　　5.1 驱动法度圭臬标准根基概念

　　主机驱动法度圭臬标准的从命是将硬件取用户操纵法度圭臬标准跟尾起去。编写的体例有多种，可以直接取硬件相跟尾，正在操纵法度圭臬标准中直接读写体系应将，年夜概将取硬件直接互换数据的底层工作交给操纵体系自动完成，操纵法度圭臬标准象读写普通文件一样完成对硬件设备的操纵。前一种体例的代码开销少，然则编写的工作量十分年夜，移植性也较好。后一种体例需求年夜量库函数支撑，但编写较为简单，且移植性好，以至只需少许建改便可以完成对另外一种硬件的支撑。正在本体系中使用的是由厂商供给的驱动法度圭臬标准，为了充分道明USB体系的工作，借是有必要对主机驱动法度圭臬标准的工作体例做一个引睹。

　　从驱动法度圭臬标准的角度出发，每个设备皆被当作多少个设备对象，这些设备对象的去历各没有雷同，每个对象皆有驱动法度圭臬标准取之对应。它们凭据必然的端方构成设备对象堆栈，也就是对应的驱动法度圭臬标准堆栈。处于最底层的是物理设备对象，它一般由总线天生，驱动法度圭臬标准到达这里的时间，总线只是按照标准作一些动作，便可完成对设备物理上的操纵。一个设备只能有一个物理设备对象，但可以有多少个其它的设备对象。从命设备对象是由所编写的驱动法度圭臬标准天生的，它负责从逻辑上操纵设备。其它的层次设备对象可以处于从命设备对象的上里或上里，它由另外一些驱动法度圭臬标准年夜概其它的体系组件天生，可以记录一些设备疑息，但层次设备对象没有是必须的。由于驱动法度圭臬标准的这类层次结构，正在编写驱动法度圭臬标准的时间没有用思考内存分配、IO端口配置、DMA申请等。Windows将资源申请全数自动化，由总线完成，编写驱动法度圭臬标准时只要思考把握设备自己便可。

　　5.2 即插即用设备形态及它们之间的转换

　　USB接口设备的一个较着特面就是接进年夜概拔出时没有需求封闭主机和从头启动体系，而是可以正在体系运行工妇接插进年夜概拔出。这取USB接口的硬件设置有关，USB接口是颠末检测接口上拉电阻去判别可否有设备存正在的。当然，借必须有相应的驱动法度圭臬标准去完成对此从命的支撑。上里便将扼要描写一个设备完成即插即用的历程。

　　用户将设备插进较量争辩机，此时设备借出有被体系检测到。要起头对设备进行软件配置，必须由即插即用经管器和总线驱动对设备进行枚举。即插即用经管器，有时借可能要正在用户模式下的组件工作，检测出设备的驱动法度圭臬标准，包孕从命驱动法度圭臬标准和其它的层次驱动法度圭臬标准。假设此时驱动法度圭臬标准尚未调进，则即插即用经管器调用设备插进例程。驱动法度圭臬标准完成初始化之后，接着必须对设备进行初始化。即插即用经管器调用驱动法度圭臬标准中加加设备的例程去初始化该驱动法度圭臬标准把握的每个设备。当一个驱动法度圭臬标准从即插即用经管器中支到起头设备的要求时，驱动法度圭臬标准使设备启动而且做优点置处罚IO操纵。正在Windows2000及更高版本的操纵体系中，和避免有关的要求只有正在从头分配硬件资源的时间才会使用。没有测卸载时是指硬件正在物理上被卸载(热拔出)，驱动法度圭臬标准处置处罚这个要求使体系的损失尽可能降落。硬件卸载时，调用相应的卸载要求，使得该设备正在软件上也没有可用。假设没有对没有测卸载进行处置处罚，便有可能制成硬件正在物理意义上已没有存正在，但正在体系逻辑中依然存正在，制成体系接睹该设备的时间泛起错误，严厉的情况可能会制成处置处罚器进进死循环。当正在软件意义上对设备进行避免时，需求等其它要求皆操纵终了后才气进行。

　　5.3 驱动法度圭臬标准结构

　　USB驱动法度圭臬标准从结构上可以分成两年夜局部，驱动法度圭臬标准入口和处置处罚各个事变的例程。驱动法度圭臬标准入口是由体系界说的一组常数，该局部重要完成两件工作：一件是将注册表项复制到一个全局变量中；另外一件是给好异的设备事变指导处置处罚例程。剩下的工作就是按照这些设备事变编写各自的例程。这些设备事变重要包孕上里几个局部：

　　(1)挨开文件：当用户以挨开文件的名义挨开设备预备读写的时间，调用该局部例程进行预备。

　　(2)封闭文件：当用户封闭文件(封闭设备)的时间，调用该例程打扫体系。

　　(3)即插即用处理：处置处罚即插即用相关的事变，该局部例程包孕很多硬件相关的子法度圭臬标准，具体从命睹第2节。

　　(4)处置处罚读操纵：当用户读取文件时，调用该例程将接口芯片缓冲区内的疑息返回主机。

　　(5)处置处罚写操纵：当用户写文件时，调用该例程将数据以包的情势发送到接口芯片。

　　(6)设备操纵：该局部例程完成对设备硬件的把握，一般含有IO把握码，这些把握码正在用户头文件中界说，该例程凭据好异的IO把握码，完成对设备的各项把握任务。

　　(7)驱动法度圭臬标准初始化：当第一次安装硬件时调用该局部例程，创坐物理设备对象。对所触及的各个变量进行初始化。这局部法度圭臬标准一般操纵体系中有自带。

　　(8)驱动法度圭臬标准的卸载：用于浑除硬件正在体系中留下的陈迹，开释全局变量中注册表路径字符串所占用的内存，将资源了债体系。

　　(9)电源经管：十足和电源相关的例程皆由这里收回，它收回的要求可所以指定一种新的电源形态，年夜概查询变更一种形态可否坚韧。此局部对付总线供电的USB设备较为重要，触及设备的挂起和唤醒等操纵。正在本体系中此局部无传染，十足下位机设备皆是自供电情势的，设备处于少时工作形态。

　　5.4 USB设备读写

　　USB设备的读写操纵是年夜局部用户重要关心的内容。由于设备驱动法度圭臬标准的传染，用户操纵法度圭臬标准和USB设备的读写操纵变的十分简单，用户挨开USB设备便像挨开文件一样。这是正在加加设备中申请了一个符号链接，并正在启动设备例程中将此链接激活而实现的。USB中的读写操纵分为四种：

　　(1)把握型：把握型传输重要为对USB自己的配置，前里所描写的USB配置实践上皆是颠末把握传输实现的。

　　(2)批量型：批量型传输用去处置处罚年夜量的对工妇要求没有紧迫的数据。底层和道包管了无没有对的传输，但没有包管传输时延。

　　(3)中止型：中止型传输对就事工妇有较强的限定，但一次传输的数据量没有多，重要为一些需求及时相应的动静。

　　(4)同步型：同步传输可以包管传输时延、包管带宽和包管恒定的数据传输速度，然则正在传送战败的情况下。没有使用“重试”去传输数据，是以可能会有必然的失足概率。

　　对USB接口的读写是按照取数据文件读写雷同的体例进行的，第一步要挨开文件，即挨开设备。当用户以挨开文件的名义挨开设备时，起首要检查设备的形态，看设备可否处于工作形态，设备的接口疑息可否已预备好。接着检查从上里传下去的文件对象的合法性(指针没有为空)。然后检查文件名的少度，当为0时，道明挨开的只是设备自己；没有为0时道明挨开的是某个管道，调用管道相关例程，将管道明转换为指向对应管道综合疑息的指针便可。读写USB设备实践上是调用同一个传输例程的，所区另外是传输偏偏向符好异，由于通信单方从命的皆是USB和道，十足的数据包的格局皆是平等的，所以这出有甚么题目。驱动法度圭臬标准把握的上位机读写历程和单片机的情况雷同，所好异的是，单片机使用的接口芯片将数据放进硬件缓冲区内，而上位机的驱动法度圭臬标准则会构建一个实拟的缓冲区去完成雷同的工作。当要发送的数据年夜于缓冲区的容量时，同单片机的情况一样，也要对数据进行瓜分。当数据发送终了之后，例程返回一个发送成功的标记。

　　5.5 USB上位机操纵法度圭臬标准设计简介

　　编写好驱动法度圭臬标准当前，要正在操纵法度圭臬标准中调用USB设备，其做法便取调用硬件雷同，可使用WIN32 API函数像调用法度圭臬标准文件一样对设备进行读写，也可以使用犹如串口的mscomm那样的控件去实现。由于本体系的上位机法度圭臬标准是用VB斥地的，较着调用成品动态链接库能削加很多工作量。这里便调用由广州周坐功单片机生少有限公司斥地的称为easyd12.dll的动态链接库。

　　6 结论

　　USB接口的驱动法度圭臬标准编写是一项繁琐的工作，由于硬件条件的限定，上述法度圭臬标准仅正在仿真器上运行颠末，无法实天调试，此中必然存正在很多缝隙和没有足。USB接口自己是并非为智能仪表斥地的，作为批量数据传输用的USB总线正在智能仪表上使用显得有些复杂。正在更高机能的通用型总线泛起之前，为了实现疑息的高速传输使用USB借是一本性价对照好的挨算。本体系只使用了USB的局部从命，支出的软硬件资源价值却取一个完整从命的USB传输体系出有多年夜区分。假设能开收回一种比USB总线更烦琐易用的通用型总线，那必然会引起智能仪表的革命。实践上，此刻用驱动法度圭臬标准完成的工作完整可以用杂硬件的体例去实现，没有外而今而行，价值必然较年夜。假设能找到一个体例去直接把握USB接口各个引脚的电平，那么即使用中范围集成电路也可以完成同步串行通信的工作，遗憾的是，正在整个设计历程中，本人始终出有发明这类体例，触及USB和道和较量争辩机主板上相关把握器的最底层内容仿照照旧无法洞悉。