1 引言

    隨著測井技術(shù)的飛速發(fā)展，各種測井數(shù)據(jù)的實時采集和處理在現(xiàn)代測井系統(tǒng)中已必不可少。傳統(tǒng)的地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主機之間的通信模式是采用PCI總線或RS-232串行總線。PCI總線雖然有很高的傳輸率，且支持“即插即用”，但是它的擴展槽相當有限，且插拔不方便，不適合便攜式系統(tǒng)的要求；RS-232串行總線雖然連接方便，但是帶寬非常有限，傳輸速率較低。為了克服以上通信方式的缺點，要求尋找一種新的通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，而通用串行總線USB的出現(xiàn)很好地解決了這些問題，很容易就能實現(xiàn)低成本、高可靠性、高速率的數(shù)據(jù)通信。

2 USB總線簡介

    USB的優(yōu)點：

    ①速度快。USB接口的最高傳輸率可達12 Mb／s；提供低速方式，速率為1.5 Mb／s。扣除用于總線狀態(tài)控制和錯誤檢測等數(shù)據(jù)傳輸，最大理論速度也能達到1．2 Mb／s和9．6 Mb／s。

    ②設(shè)備安裝和配置容易。安裝USB設(shè)備不必再打開機箱，加減已安裝過的設(shè)備完全不用關(guān)閉計算機。所有USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進行自動配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。

    ③易于擴展。通過使用Hub擴展可連接多達127個外設(shè)。標準的USB電纜長度為3m(低速為5m)，通過Hub或者中繼器可使外設(shè)距離達到30m�？梢允褂枚喾N連接方式進行擴展。

    ④采用總線供電。USB總線可為連接在其上的設(shè)備提供5V電壓／lOOmA電流的供電。USB設(shè)備也可采用自供電方式，或者兩者結(jié)合的方式。

    ⑤使用靈活。USB共有4種傳輸模式：控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、批量傳輸，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。

3 硬件電路設(shè)計

    由測井儀器送至地面的信號有三類：模擬信號、脈沖信號以及編碼信號，所以地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首先對這三種不同的信號進行預(yù)處理，然后送至各自的通道進行數(shù)據(jù)采集再通過USB總線將數(shù)據(jù)傳送至上位機進行實時的處理。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)硬件框圖

    由井下傳送至地面的模擬信號、脈沖信號、編碼信號分別經(jīng)過相應(yīng)接口面板的凋理后，進入A／D轉(zhuǎn)換器(MAXl97)、脈沖計數(shù)器(82C54)、解調(diào)器，在CPU的控制下，實現(xiàn)控制算法，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、解碼，并將采集到的數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)的RAM中。另一方面，CPU還要完成USB協(xié)議處理、響應(yīng)USB接口芯片的中斷處理、完成數(shù)據(jù)交換，同時還有一些附加功能(如驅(qū)動數(shù)控面板的LCD顯示等)，由于單片機自身資源的有限，僅僅使用一片單片機難以勝任，為此我們擴展了一片單片機(兩片單片機均為AT89S52)，采用多單片機分配任務(wù)、協(xié)同工作，讓一片單片機實現(xiàn)采集控制，另外一片實現(xiàn)USB協(xié)議下的實時數(shù)據(jù)通信。

    使用多單片機固然能按要求實現(xiàn)任務(wù)，但兩片單片機之間的數(shù)據(jù)通信問題也隨之而來。傳統(tǒng)的多單片機之間的通信是通過串口來實現(xiàn)的。但在設(shè)計中，由于采集單片機的數(shù)據(jù)量非常大，若使用串口進行通信，由于單片機的串行寄存器SBUF只能保留一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，必然造成采集數(shù)據(jù)的嚴重丟失或錯誤。針對這樣問題，在設(shè)計中采用了采集單片機與通信單片機之間通過雙端口RAM(ID’F7132)共享數(shù)據(jù)的方案，它一方面可以存儲采集單片機采集到的數(shù)據(jù)，另一方面可以實現(xiàn)兩單片機之間的高速、實時數(shù)據(jù)通信。

    USB接口芯片采用Philips公司的PDIUS—BDl2(簡稱D12)，可以實現(xiàn)4種不同的模式：非同步模式、同步輸出模式、同步輸入模式以及同步輸入／輸出模式。D12與通信CPU的電路連接如圖2所示。

圖2 AT89S52與PDIUSBDl2的接口電路圖

這里D12使用的是多路地址／數(shù)據(jù)總線配置方式，單片機的INT—N應(yīng)配置為電平觸發(fā)中斷。D12在ALE下降沿的時候?qū)�單片機的輸出地址進行鎖存。這種方式下，單片機也是使用指令MOVX對D12進行操作，倘若輸出的地址為奇數(shù)表示對D12發(fā)送指令，輸出的地址為偶數(shù)時，則表示對D12進行數(shù)據(jù)傳輸。D12的地址由片選信號(P2的任一口線)決定。USB設(shè)備采用自供電方式，將EOT引腳需要通過串聯(lián)電阻連接到Vbus上，使用EOT來檢測USB總線是否連接上，只有連接上USB總線，單片機發(fā)送的命令才有效。

4 軟件設(shè)計

    4.1 固件程序的設(shè)計

    固件程序是指被固化到AT89S52中FLASH中的程序，它是設(shè)備運行的核心，其主要功能是控制USB接口芯片接收并處理USB驅(qū)動程序的請求(如請求設(shè)備描述符、請求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài)、請求設(shè)備設(shè)置、請求或設(shè)置設(shè)備接口等USB標準請求)；控制USB接口芯片接收應(yīng)用程序的控制指令；將存儲在雙口RAM中的數(shù)據(jù)通過USB控制器實時上傳至PC。

    USB控制器的工作原理是：當USB控制器從USB總線檢測到主機啟動的某一傳輸請求時，USB控制器通過中斷方式將此請求通知USB接口系統(tǒng)，接口系統(tǒng)通過訪問USB控制器的狀態(tài)寄存器獲得與此傳輸有關(guān)的各種參數(shù)，并根據(jù)具體傳輸參數(shù)，對USB控制器的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進行相應(yīng)的操作，以完成主機的傳輸請求。

    4.2 設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計

    USB驅(qū)動程序是支持即插即用功能的標準WDM驅(qū)動程序，結(jié)構(gòu)如圖3所示。Windows對構(gòu)成一個USB總線主機的不同軟件部分進行了十分清楚的劃分，其中USB總線客戶軟件包含了用來控制不同USB總線外設(shè)的設(shè)備驅(qū)動程序，它通過Windows所定義的軟件接口與根集線器驅(qū)動程序進行通信，而USB根集線器驅(qū)動程序則要通過包含在USBD中的USBDI(通用串行總線驅(qū)動程序接口)實現(xiàn)與通用串行總線驅(qū)動程序(USBD)的通信。然后，USBD會選擇兩種主控制器驅(qū)動程序(HCD)之一同其下方的主控制器進行通信。最后，主控制器驅(qū)動程序會贏接實現(xiàn)對USB物理總線的訪問(通過PCI枚舉器軟件)。

圖3 USB驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)

    開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序需要專門的開發(fā)工具，目前常用的開發(fā)工具有Windows DI)K和Driver—Studio。NuMega公司開發(fā)的DriverStudio是一個強大的開發(fā)工具包，它包括VtoolsD、Driver—Works、DriverNetworks和調(diào)試工具SoftlCE等等。用DriverWorks開發(fā)基于WDM的USB設(shè)備驅(qū)動程序時，將自動生成WDM的工程文件，通常包括5個*．h和2個*．cpp文件，此外還自動生成*．inf文件，開發(fā)者只要根據(jù)自己的需要稍做修改即可。

    ·USBLOG．cpp：包括DriverEntry()、LOAdRegisrtyParameters()、AddI)evice()例程，主要實現(xiàn)初始化設(shè)備的功能。

    ·USBLOGDevice．cpp：主要實現(xiàn)電源管理、系統(tǒng)控制、設(shè)備的移除、設(shè)備的開始等功能。

    ·USBLOG．inf：設(shè)備的安裝文件，說明設(shè)備的安裝信息。

    4.3 應(yīng)用程序的設(shè)計

    應(yīng)用軟件由兩部分組成：動態(tài)鏈接庫和應(yīng)用程序。動態(tài)鏈接庫負責與內(nèi)核態(tài)的USB功能驅(qū)

    動程序通信并接收應(yīng)用程序的各種操作請求，而應(yīng)用程序負責對地面系統(tǒng)采集、處理的各種數(shù)據(jù)進行實時繪圖顯示、分析、打印和存盤等。軟件設(shè)計可以采用Visual C++等。

5 結(jié)束語

    將USB技術(shù)應(yīng)用到便攜式數(shù)控測井系統(tǒng)中，可以使上、下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸速率和誤碼率得到明顯的改善，傳輸速率能達到8Mbps以上，誤碼率能降至10-7以下。應(yīng)用USB技術(shù)，可以大大降低數(shù)據(jù)的丟失率，使采集的數(shù)據(jù)得到實時顯示，同時，為便攜式數(shù)控測井系統(tǒng)接口的簡便化、高速化和可靠性打下堅實的基礎(chǔ)。 

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本文標題：USB總線在便攜式數(shù)控測井系統(tǒng)中的應(yīng)用

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