USB总线在便携式数控测井系统中的应用

1 引言

随着测井技术的飞速发展，各种测井数据的实时采集和处理在现代测井系统中已必不可少。传统的地面数据采集系统与主机之间的通信模式是采用PCI总线或RS-232串行总线。PCI总线虽然有很高的传输率，且支持“即插即用”，但是它的扩展槽相当有限，且插拔不方便，不适合便携式系统的要求；RS-232串行总线虽然连接方便，但是带宽非常有限，传输速率较低。为了克服以上通信方式的缺点，要求寻找一种新的通信方式进行数据传输，而通用串行总线USB的出现很好地解决了这些问题，很容易就能实现低成本、高可靠性、高速率的数据通信。

2 USB总线简介

USB的优点：

①速度快。USB接口的最高传输率可达12 Mb／s；提供低速方式，速率为1.5 Mb／s。扣除用于总线状态控制和错误检测等数据传输，最大理论速度也能达到1．2 Mb／s和9．6 Mb／s。

②设备安装和配置容易。安装USB设备不必再打开机箱，加减已安装过的设备完全不用关闭计算机。所有USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。

③易于扩展。通过使用Hub扩展可连接多达127个外设。标准的USB电缆长度为3m(低速为5m)，通过Hub或者中继器可使外设距离达到30m。可以使用多种连接方式进行扩展。

④采用总线供电。USB总线可为连接在其上的设备提供5V电压／lOOmA电流的供电。USB设备也可采用自供电方式，或者两者结合的方式。

⑤使用灵活。USB共有4种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，以适应不同设备的需要。

3 硬件电路设计

由测井仪器送至地面的信号有三类：模拟信号、脉冲信号以及编码信号，所以地面数据采集系统首先对这三种不同的信号进行预处理，然后送至各自的通道进行数据采集再通过USB总线将数据传送至上位机进行实时的处理。系统硬件框图如图1所示。

图1系统硬件框图

由井下传送至地面的模拟信号、脉冲信号、编码信号分别经过相应接口面板的凋理后，进入A／D转换器(MAXl97)、脉冲计数器(82C54)、解调器，在CPU的控制下，实现控制算法，进行相应的数据采集、解码，并将采集到的数据存放在相应的RAM中。另一方面，CPU还要完成USB协议处理、响应USB接口芯片的中断处理、完成数据交换，同时还有一些附加功能(如驱动数控面板的LCD显示等)，由于单片机自身资源的有限，仅仅使用一片单片机难以胜任，为此我们扩展了一片单片机(两片单片机均为AT89S52)，采用多单片机分配任务、协同工作，让一片单片机实现采集控制，另外一片实现USB协议下的实时数据通信。

使用多单片机固然能按要求实现任务，但两片单片机之间的数据通信问题也随之而来。传统的多单片机之间的通信是通过串口来实现的。但在设计中，由于采集单片机的数据量非常大，若使用串口进行通信，由于单片机的串行寄存器SBUF只能保留一个字节的数据，必然造成采集数据的严重丢失或错误。针对这样问题，在设计中采用了采集单片机与通信单片机之间通过双端口RAM(ID’F7132)共享数据的方案，它一方面可以存储采集单片机采集到的数据，另一方面可以实现两单片机之间的高速、实时数据通信。

USB接口芯片采用Philips公司的PDIUS—BDl2(简称D12)，可以实现4种不同的模式：非同步模式、同步输出模式、同步输入模式以及同步输入／输出模式。D12与通信CPU的电路连接如图2所示。

图2 AT89S52与PDIUSBDl2的接口电路图

这里D12使用的是多路地址／数据总线配置方式，单片机的INT—N应配置为电平触发中断。D12在ALE下降沿的时候对单片机的输出地址进行锁存。这种方式下，单片机也是使用指令MOVX对D12进行操作，倘若输出的地址为奇数表示对D12发送指令，输出的地址为偶数时，则表示对D12进行数据传输。D12的地址由片选信号(P2的任一口线)决定。USB设备采用自供电方式，将EOT引脚需要通过串联电阻连接到Vbus上，使用EOT来检测USB总线是否连接上，只有连接上USB总线，单片机发送的命令才有效。

4 软件设计

4.1 固件程序的设计

固件程序是指被固化到AT89S52中FLASH中的程序，它是设备运行的核心，其主要功能是控制USB接口芯片接收并处理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USB标准请求)；控制USB接口芯片接收应用程序的控制指令；将存储在双口RAM中的数据通过USB控制器实时上传至PC。

USB控制器的工作原理是：当USB控制器从USB总线检测到主机启动的某一传输请求时，USB控制器通过中断方式将此请求通知USB接口系统，接口系统通过访问USB控制器的状态寄存器获得与此传