【文章內(nèi)容簡介】 測控現(xiàn)場間的數(shù)據(jù)通信的暢通是高效、穩(wěn)定的測控實現(xiàn)的前提。一般情況下，主控平臺和測控現(xiàn)場之間存在一定距離，為此人們提出了諸多總線協(xié)議諸如 CAN、RS232 等用來實現(xiàn)這一目的。相比于靠電纜來構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸通道，無線傳輸方式則顯得更加的方便。 綜合上述考慮，設計出了如圖 21 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4/48 基于 USB 的無線測控平臺的設計 167。 應用 LabVIEW 開發(fā)虛擬平臺 虛擬儀器概念最早由美國國家儀器公司 NI 提出，同時， NI 推出了圖形化的虛擬儀器編程環(huán)境 LabVIEW，標志著虛擬儀器軟件設計平臺的基本形成， 虛擬儀器從概念構(gòu)思變?yōu)楣こ處熆梢詫崿F(xiàn)的具體對象。虛擬儀器是根據(jù)不同的測試需要， 由 實際的物理系統(tǒng)構(gòu)成且主要功能由軟件實現(xiàn)的現(xiàn)實測試儀器。 LabVIEW 通過 PCI、 GPIB、 RS232 等總線與物理系統(tǒng)通信，控制儀器的工作和實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集等。 LabVIEW 具有強大的連通性，支持 Web、DLL 調(diào)用、 SQL 連接、 ActiveX 和 .NET 等交互設計。 作 為圖形化編程語言的編程環(huán)境， 其擁有強大的生產(chǎn)效率。 LabVIEW 專為測量、數(shù)據(jù)分析并提交結(jié)果而設計，其擁有如此功能眾多的圖形用戶界面又易于仿真，使得對于仿真、結(jié)果顯示、通用編程等都十分有利。 LabVIEW 擁有龐大的函數(shù)和子程序庫，也有特定應用程序庫代碼，如：數(shù)據(jù)采集（ DAQ）、通用功能接口總線（ GPIB）、串行 接 口儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、 Inter 通信。分析庫則包含了大量 實用函數(shù)，包括信號產(chǎn)生、信號處理、濾波器、窗口、統(tǒng)計、回 歸、線性代數(shù)、矩陣運算等。 本設計擬采用 LabVIEW環(huán)境開發(fā) PC機 控制平臺正是基于 LabVIEW的諸多優(yōu)秀特性和功能 ，可以不必將精力花在圖形用戶接口的設計，轉(zhuǎn)而專注于控制流程的實現(xiàn)上 來 [4]。 167。 USB 接口 的設計 在圖 21 中，測控平臺與無線主站之間依靠 USB 接口進行數(shù)據(jù)的傳輸 ， 相比于串口，USB 接口熱 拔插 和高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸特性可以保證 二者之間的可靠通信。 USB 接口的軟件主要包含主機底層驅(qū)動、 Windows API、主機應用程序、設備固件程序和設備應用程序等復雜體系。 其中， 主機 USB 底層驅(qū)動程序 的開發(fā)需要有專業(yè)的驅(qū)動程序開發(fā)技術和經(jīng)驗，對于非軟件專業(yè)的開發(fā)者而言，這將 成為開發(fā) USB 接口的最大難點。 如何更加快速 的構(gòu)建 USB 接口而避免將大量工作投入其主機驅(qū)動程序的開發(fā)，本設計將采用 Silicon Laboratories 公司的 C8051F340 作為 USB 接口的設備控制器。 C8051F340是 Silicon Laboratories 推出的一款 USB Flash 微控制器，其內(nèi)部集成 USB 功能 單元，實現(xiàn)了 USB協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，通過對 其 諸多寄存器的操作可以方便的控制整個 USB通信流程。此外， Silicon Laboratories 為推廣其 USB 控制芯片專門開發(fā)了 USBXpress 開發(fā)工具，大大方便了 USB 接口的開發(fā)。 USB（ Universal Serial Bus）即通用串行總線自被提出以來，被廣泛應用于各種場合，其即插即用和四線制連接方式得到了業(yè)界一致認可。本小節(jié)將從 USB 體系構(gòu)成、數(shù)據(jù)流模 5/48 型和數(shù)據(jù)包來簡要介紹 USB 協(xié)議。 USB體系的構(gòu)成 USB 體系包括主機（ USB Host）、設備（ USB Device）以及物理連接三個部分。其中主機是一個提供 USB 接口及接口管理能力的硬件、軟 件及固件的復合體，可以是 PC，也可以是 OTG設備。一個 USB 系統(tǒng)中僅有一個 USB 主機；設備包括 USB 功能設備和 USB HUB，最多支持 127 個設備；物理連接即指的是 USB 的傳輸線。在 系統(tǒng)中，要求使用屏蔽的雙絞線。 USB 體系采用分層的星型拓撲來連接所有 USB 設備。 USB 采用輪詢的廣播機制傳輸數(shù)據(jù)，所有的傳輸都由主機發(fā)起，任何時刻整個 USB 體系內(nèi)僅允許一個數(shù)據(jù)包的傳輸，即不同物理傳輸線上看到的數(shù)據(jù)包都是同一被廣播的數(shù)據(jù)包 [5]。 USB數(shù)據(jù)鏈路層模型 USB 數(shù)據(jù)鏈路層采用分層體系 結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。 圖 22 USB數(shù)據(jù)鏈路層模型 在 HSOT 端，應用軟件（ ClientSW）不能直接訪問 USB 總線，而必須通過 USB 系統(tǒng)軟件和 USB 主機控制器來訪問 USB 總線，在 USB 總線上和 USB 設備進行通訊。從邏 輯上可以分為功能層、設備層和總線接口層三個層次。其中功能層完成功能級的描述、定義和行為；設備級則完成從功能級到傳輸級的轉(zhuǎn)換，把一次功能級的行為轉(zhuǎn)換為一次基本傳輸； USB 總線接口層則處理總線上的比特流，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺訉崿F(xiàn)和總線管理。物理上， USB 設備通過分層的星型總 線連接到 HOST，但在邏輯上 HUB 是透明的，各 USB設備和 HOST 直接連接，和 HOST 上的應用軟件形成一對一的關系 [5]。 6/48 基于 USB 的無線測控平臺的設計 USB數(shù)據(jù)包 所有的 USB 數(shù)據(jù)包 都由 同步字符 （ SYNC） 開始，高速包的 SYNC 寬度 為 32 比特 ，全速 /低速包 的 SYNC 寬 度為 8比特 。實際接收到的 SYNC 寬 度由于 USB HUB的關系，可 能會小于該值。 USB 數(shù)據(jù)包的格式如圖 23 所示。 圖 23 USB數(shù)據(jù)包格式 PID表征了該數(shù)據(jù)包的類型，分為令牌、數(shù)據(jù)、握手以及特殊包四大類，共 16種 PID。數(shù)據(jù)在 USB 總線上的傳輸以包 為單位，包只能在幀內(nèi)傳輸。高速 USB 總線的幀周期為125us，全速以及低速 USB 總線的幀周期為 1ms。幀的起始由一個特定的包（ SOF 包）表示，幀尾為 EOF。 EOF 不是一個包，而是一種電平狀態(tài)， EOF期間不允許有數(shù)據(jù)傳輸 [5]。 167。 無線 通信 通道 的設計 無線通信通道作為主控室與廠房之間的遠距離數(shù)據(jù)傳輸通道，是實現(xiàn)遠程控制的關鍵所在。 目前的無線芯片有 nRF40 nRF90 CC2430 等。相比于 nRF401 射頻芯片， nRF905由于其內(nèi)部擁有更多的寄存器單元因而容易控制整個數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，其某些引腳 電平指示了整個數(shù)據(jù)傳輸過程中 nRF905 的一些狀態(tài)，單片機可以查詢這些引腳電平從而控制nRF905工作 。 另外， nRF905與微控制器的接口采用 SPI方式 ，微控制器通過 SPI來向 nRF905寫命令數(shù)據(jù)或讀取 nRF905 內(nèi)部寄存器的值。再者， nRF905 具有地址匹配機制 和收發(fā)一體的特點 可以方便的搭建一個點對多的通信網(wǎng)絡。 CC2430 是一個基于 ZigBee 協(xié)議的 無線收發(fā)器，其具有強大的互相定位功能和 的載波頻率，開發(fā)成本也較高。綜上所述，nRF905 不但開發(fā)成本低、控制靈活而且功能滿足設計需要，因而采用 nRF905 搭建無線通信通道。 7/48 167。 系統(tǒng)整體控制流程 系統(tǒng)整體控制流程 如圖 24 所示。 圖 24 控制流程 系統(tǒng)完成一次 控制任務 的流程為 :通過 LabVIEW 平臺發(fā)出指令，當 MCU 接收到通過USB 接口發(fā)送來的指令后，通過對該指令的解析得到 設備 對象的地址和其所在無線 子站 的地址。 MCU 解析之后再將這些信息 通過 SPI 接口 寫入無線 主 站的緩沖區(qū)等待發(fā)送，寫入完畢后 MCU 控制無線主站開始發(fā)送，此時無線子站均處于接收狀態(tài)。 無線主站發(fā)送的數(shù)據(jù) 包含欲接收該信息的無線子 站地址 ，當無線子站檢測到與自身地址 相同時， 則向 MCU發(fā)出地址匹配信號 ，其他無線子站均不會接收這些數(shù)據(jù) 。無線子站隨之接收余下的有效數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)接收完成 后， 無線子站通知 MCU 讀取接收到的數(shù)據(jù) 。 MCU 通過 SPI 接口讀取后再對這些數(shù)據(jù)進行解析， 如果為控制命令則控制執(zhí)行 器工作 ，同時 MCU 通過無線通道返回給控制平臺本次控制 狀態(tài) 信息；如果本次接收到的是測量命令，則 MCU 開始測量后將該測量值通過無線通道返回給控制平臺。 167。 應用層 協(xié)議 對設備的編址 當無線主站向子站發(fā)送數(shù)據(jù)時，并不是所有的無線子站都接收該次發(fā)送的數(shù)據(jù)，這是靠無線子站的地址匹配機制 來實現(xiàn)的。在如圖 21 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，一個廠房只有一個無線子站，則可以使用該無線子站的地址作為該廠房的地址。 本協(xié)議 廠房 地址為 1字節(jié)寬度，其中無線主站地址為 0x00，無線子站 即廠房的 地址為 0x010xff,則 共支持 255 個廠房。 一個廠房 內(nèi) 的設備可以歸結(jié)為三類：模擬量、數(shù)字量和開關量。 模擬量是輸入量， 來8/48 基于 USB 的無線測控平臺的設計 自于設備的模擬輸出，最終通過 ADC送入控制平臺； 數(shù)字量是輸出量， 用于送入設備的 DAC后轉(zhuǎn)換為模擬量來控制設備； 開關量則既有輸入也有輸出量。 為區(qū)別這些 設備，也需要對其進行編址。 命令與狀態(tài)類型 本協(xié)議約定命令有 以 下幾種，即設備搜索命令、控制命令、查詢命令，這些命令均由位于主控室的主控平臺發(fā) 出 并經(jīng)由無線主站發(fā)送 給 無線子站。針對各種命令， 廠房里的 MCU執(zhí)行后將根據(jù)情況返回一定的狀態(tài)類型和數(shù)據(jù)值。 設備搜索命令用于 系統(tǒng)開機時對 廠房無線子站的 搜索 ，已確定當前處于工作狀態(tài)的廠房無線子站的地址。 無線主站采取輪詢的方式對每一個無線子站進行搜索，正處于工作狀態(tài)的無線子站收到該命令后將返回給主站一個工作狀態(tài)數(shù)據(jù)幀。在無線主站發(fā)送呼叫命令10ms 后若還收不到來自子站的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)幀， 主站即默認該子站沒有處于工作狀態(tài) 轉(zhuǎn)而搜索下一子站。 控制命令 標志該幀是主控平臺欲控制某一 設備 對象而發(fā) 出 的數(shù)據(jù)幀， 子站接收到該數(shù)據(jù)幀后即返回一個 控制狀態(tài)幀。當主站 10ms 內(nèi)接收不到該幀時即表示此次控制失敗重新發(fā)送該幀，嘗試 5 次均 未 收到該控制狀態(tài)幀時將 向主控平臺返回 控制失敗報告。 查詢命令則表示該幀是一欲查詢某一設備某些參數(shù)的數(shù)據(jù)幀 ，該數(shù)據(jù)幀被子站接收后將返回一個包含測量參數(shù)值在內(nèi)的查詢狀態(tài)幀。當主站 10ms 內(nèi)接收不到該幀時即表示此次查詢失敗重新發(fā)送該幀，嘗試 5 次均 未 收到該查詢狀態(tài)幀時將 向主控平臺返回 查詢失敗報告。 另外，當本次控制或查 詢命令被子站接收后，子站可能 因為 數(shù)據(jù)傳送錯誤而返回一個錯誤狀態(tài)幀，主站接收到該幀后 將再嘗試最多 5 次，再次失敗將向主控平臺返回對應的失敗報告。 傳送錯誤處理機制 主控平臺的各項命令均需 經(jīng)由兩個傳送通道即 USB 接口和無線射頻通道。根據(jù) USB協(xié)議的約定，傳送失敗或錯誤的數(shù)據(jù)， USB 將自動重傳 ， USB 協(xié)議本身可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾耘c正確性 。而本設計所采用的無線射頻模塊則不支持 錯誤 自動重傳機制，但是對經(jīng)由其發(fā)送的數(shù)據(jù)自動產(chǎn)生 CRC 碼并一起發(fā)送出去，數(shù)據(jù)被其他無線射頻模塊接收后將會自動校驗該數(shù)據(jù)幀的正確 性。 綜上所述，在無線傳輸階段數(shù)據(jù)包的丟失錯誤需要靠該協(xié)議糾正 ,在 “ ”一節(jié) ,主站 在 10ms內(nèi)沒有接收到該狀態(tài)幀即將再嘗試最多5 次，再次失敗將向主控平臺返回對應的失敗報告的方法可以糾正這樣的錯誤。 9/48 數(shù)據(jù)幀格式 本協(xié)議約定數(shù)據(jù)幀長度為固定的 8 字節(jié)。 根據(jù)命令與狀態(tài)的類型，存在 以 下幾種數(shù)據(jù)幀類型： ，其格式如下： 字節(jié) 1 2 3 4 5 6 7 8 值 0x00 SADDR 意義 搜索幀特征字 保留 字節(jié) 保留 字節(jié) 保留 字節(jié) 保 留 字節(jié) 保留 字節(jié) 保留 字節(jié) 子站 地址 其中，子站地址 SADDR 從 0x010xff，共支持 255 個無線子站。 ，其格式如下： 字節(jié) 1 2 3 4 5 6 7 8 值 0xf0 SSTATUS SADDR 意義 搜索 狀態(tài) 幀特征字 保留 字節(jié) 保留 字節(jié) 保留 字節(jié) 保留 字節(jié) 保留 字節(jié) 子站 狀態(tài) 子站 地址 其中，當設備狀態(tài)字節(jié) SSTATUS=0xff 時即表示該無線子站處于工作狀態(tài)； 當SSTATUS=0x00 時表示該無線子站處于停用狀態(tài)。 制命令幀，其格式如下： 字節(jié) 1 2 3 4 5 6 7 8 值 0x02 DATAH DATAL DADDRH DADDRL SADDR 意義 控制幀特征字 保留 字節(jié) 數(shù)據(jù) 字節(jié) 數(shù)據(jù) 字節(jié) 設備 地址 設備 地址 保留 字節(jié) 子站 地址 其中， SADDR 為被控設備所在無線子站的地址， DADDRH 為欲控制設備的高 8 位地址， DADD