1 引言
同步相量測量單元(PMU)測量裝置與上位計算機(jī)之間的通訊速率普遍較低，不能將測量數(shù)據(jù)及時傳送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理，通訊接口已成為整個系統(tǒng)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(wěn)定性均能滿足同步相量測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌凇?br/> 采用USB接口作為上位機(jī)與下位機(jī)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(shù)據(jù)的傳輸。在USB接口的實際應(yīng)用中，驅(qū)動程序的開發(fā)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(shù)單片微機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，還需要使用專門的接口芯片進(jìn)行連接，用戶必須編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合USB系統(tǒng)協(xié)議的格式進(jìn)行傳輸。
本文敘述了ATMAGE128單片機(jī)使用PDIUSBD12接口芯片完成USB接口數(shù)據(jù)通訊的過程。通過驅(qū)動程序完成對相關(guān)硬件設(shè)備的操作。該驅(qū)動程序完成USB接口的中斷傳輸功能，用戶調(diào)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(xiàn)了各采樣點的低延時上傳功能，可以在1ms內(nèi)完成一個工頻周期全部采樣值的傳輸。
2 USB系統(tǒng)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(xiàn)整個計算機(jī)系統(tǒng)中總線的一致性，由COMPAQ/ INTEL/MICRSOFT和NEC等公司共同開發(fā)出的一種新的、快速的、雙向的、同步傳輸?shù)牟⒖梢詿岚尾宓臄?shù)據(jù)傳輸總線，簡稱USB總線。USB總線由以下四個主要部分構(gòu)成：①主機(jī)和設(shè)備：是指USB系統(tǒng)中的主要構(gòu)件。②物理構(gòu)成：是指USB元件的連接方法。③邏輯構(gòu)成：不同的USB元件所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧拓?zé)任，以及從主機(jī)和設(shè)備的角度出發(fā)USB總線所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。④客戶軟件與設(shè)備功能接口的關(guān)系。
USB總線有四種數(shù)據(jù)傳輸方式：①控制傳輸：主要用于主機(jī)把命令傳給設(shè)備以及設(shè)備把狀態(tài)返回給主機(jī)。②中斷傳輸：用來支持那些偶然需要少量數(shù)據(jù)通信，但服務(wù)時間受限制的設(shè)備。③批量傳輸：用來傳輸大量的數(shù)據(jù)而沒有周期和傳輸速率的設(shè)備上。批量傳輸方式并不能保證傳輸?shù)乃俾?，但可以保證傳輸?shù)目煽啃?，?dāng)出現(xiàn)錯誤的時候會要求發(fā)送方重發(fā)。④同步傳輸：以一個恒定的速率進(jìn)行傳輸。同步傳輸?shù)姆绞降陌l(fā)送和接收方都必須保證傳輸速率的匹配，不然會造成數(shù)據(jù)的丟失。
2.2 USB器件簡介及應(yīng)用
實現(xiàn)USB傳輸?shù)姆椒ㄖ饕惺褂媒涌谵D(zhuǎn)換芯片和專用的接口芯片兩種。前者就是將USB接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)真正的USB傳輸，使用USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片如PDIUSBD12可以達(dá)到最高12Mb/s的傳輸速率，使用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片如ISP1581則可以達(dá)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(yīng)的下位機(jī)與上位機(jī)驅(qū)動程序，由于USB傳輸不同于串口傳輸，USB傳輸?shù)姆绞蕉际峭ㄟ^協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)包來完成的，所以下位機(jī)的軟件必須實現(xiàn)對接口器件的硬件管理功能，及對協(xié)議發(fā)出的各種請求作出響應(yīng)。而上位機(jī)驅(qū)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(tǒng)中的作用
USB接口在本系統(tǒng)中用來完成下位機(jī)與上位機(jī)的通訊，具體就是連接AVR單片機(jī)與PC，將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)及一些相關(guān)信息傳送到PC進(jìn)行處理。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括：①電壓值(每周期采樣64個點，12位數(shù)據(jù))。②電流值(每周期采樣64個點，12位數(shù)據(jù))。③同步時間信號(取自GPS)。
上位機(jī)在接收到這些信息后將會對其進(jìn)行描點，故障錄波，遠(yuǎn)程傳送等處理。12位的電壓電流數(shù)據(jù)都要經(jīng)過變換，成為16位數(shù)據(jù)，占一個字節(jié)。每通道1秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(jīng)超過RS232接口所能提供的傳輸速率。如果使用CAN總線進(jìn)行傳輸，則硬件設(shè)備較為復(fù)雜。綜合比較后，采用PDIUSBD12作為接口芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jī)的要求也較為寬松，只要有USB接口的計算機(jī)都可以作為本系統(tǒng)的上位機(jī)。
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