基于USB通信的多功能智能插座

  
图1 USB接口通信电路  
  
3．3 通信系统软件设计  

3．3．1 USB设备驱动程序开发  

Windows2000提供了一些常见USB设备的驱动程序,但是要使D12构成的USB设备正常工作仍需要自己编写驱动程序。尽管系统已经提供了很多标准接口函数,但编制驱动程序仍然是USB开发中最困难的,通常采用Windows DDK来实现。  
   
3．3．2 USB设备固件（firmware）设计  

设备固件是设备运行的核心，采用汇编语言设计。其主要功能是控制芯片PDIUSBD12接受并处理USB驱动程序的请求（如请求设备描述符、请求或设置设备状态、请求设备设置、请求或设置设备接口等共10种USB1.1标准请求）；控制芯片PDIUSBD12接受应用程序的控制指令；控制A/D模块的数据采集；通过PDIUSBD12存储数据并实时上传PC。  

下位机程序主要的工作是初始化D12,通过D12进行数据传输以及按协议对数据进行格式转换。USB单片机控制程序通常由三部分组成：第一,初始化部分,完成单片机和所有的外围电路(包括D12)的初始化；第二,主循环部分,等待来自数据采集设备或上位机的数据,并启动数据格式转换程序,进行数据通信,是固件的主体部分；第三,中断服务程序,由上位机和数据采集设备触发,进行一些低工作量的实时处理(如置相应标志位),然后在主循环部分对数据作进一步的处理。  

PDIUSBD12的初始化过程如下：  

(1) 设置地址使能；  
(2) 设置端点(EndPoint)使能(这时候LED亮)；  
(3) 软断开(Disconnect)；  
(4) 延时(1～2ｓ)；  
(5) 软连接(Soft Connect ,用Set Mode命令,此时LED灭)；  
(6) 中断使能,等待中断。  
(7)响应来自主机的Setup包,完成枚举。步骤3～5就是利用Soft Connect TM技术,不必进行物理插拔而使主机初始化USB总线。虽然USB协议对枚举过程作了统一的规定,但是不同公司的芯片实现起来可能有所不同。USB枚举的过程实际上就是主机和USB设备的一个握手过程：主机发送出包含某个枚举请求的Setup包,USB设备响应该请求并返回必要的信息。在主机得到USB通信所需要的所有USB设备的信息之后,枚举即告结束。  

D12构成的USB设备的枚举过程如下：(1)Get Device Descriptor：主机请求代码为8006000100004000,然后89C52通过D12发送设备描述符,第一次只需发送设备描述的前8个字节,如：1201000100000010。(2)Set Address：主机请求代码为0005020000000000,说明主机设置其地址为0X02,收到该请求后D12只需使能该地址(0X82),并对控制输入端写0长度的数据。(3)读取全部Device Descriptor：主机请求代码为8006000100001200,与1不同的是此时是读取全部设备描述符,一般为18个字节,可以分为多次传输,D12发送的前8字节与1相同,后10个字节为：71048888000100000001。其中,前两个字节是厂商ID(VID),本例中的为0X0471,即分配给Philips公司的ID号。后两个字节是设备ID(PID),设计定义为0X8888。VID和PID决定了驱动程序的匹配,一定要与最后生成的主机驱动程序一致。(4)Get Config Descriptor：主机请求代码为8006000200000900,根据USB协议的定义,第四字节的0X02表明该请求是一配置描述符请求。D12发送9字节的配置描述符给主机,为09022ｅ000101006001。(5)读取全部Config Descriptor：主机请求代码为8006000200001200,此时D12必须把包括配置描述符、接口描述符、各端点(D12为四个)的描述符在内的所有的配置情况分多次发送给主机。(6)如果以上步骤都正确,主机将找到新设备,提示安装驱动程序,否则找到未知设备,不可用。安装驱动程序后,以后的每次设备插入,枚举次序与以上步骤略有不同,之后会有Set Configuration、Get Configuration和Get Interface等调用。  

3．3．3系统应用程序设计  

PC机应用程序是该插座数据采集系统的中心，采用VC++6.0编程。其功能主要有：开启或关闭USB设备、检测USB设备、设置USB数据传输管道（pipe）、设置A/D状态和数据采集端口、实时从USB接口采集数据、存储显示并分析数据。程序主框图如图2所示：  

4．工业用的智能监测插座  

4．1 USB通信在工业现场的局限  

USB电缆的最大传输距离是5米，因此上述的USB通信方案仅适用于家庭用的监测插座。即使增加了中继或HUB,USB传输距离通常也不超过几十米,这对工业现场而言显然是太小了。目前,工业现场有大量采用RS－485传输数据的采集设备。RS－485总线传输距离可以达到1200ｍ以上,并且可以挂接多个设备。不足之处是传输速度慢、可靠性差、需要板卡的支持、成本高、安装麻烦等。RS－485的这些缺点恰好能被USB所弥补,而USB传输距离的限制又是RS－485的优势所在。为此，我们采用一种RS－485和USB的接口转换卡来解决上述问题。  

4．2 RS－485和USB转换卡的原理与硬件电路图