具有USB接口的水位变送器

    通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是一种新型的串行总线,是由Intel,Compaq,Microsoft,IBM,DEC,NEC和Northern Telecom等7家公司共同制定的一种针对PC机的串行接口标准,是一种具有快速、灵活的总线接口。其结构简单(USB总线共4根连线,即5V电源线、地线和2根以差分形式驱动的数据线D+,D-),在实际使用中可带电进行拔插,与USB连接的设备可以通过USB电缆供电,也可通过电池或其它电源供电,或者使用两种供电方式的组合,具有方便性,灵活性。

    USB技术由3部分组成,即具有USB的PC系统,能支持USB的系统软件和使用USB接口的设备。现今,大多数的PC机都具有USB接口,WIN98以上的操作系统全面支持USB设备。现在USB协议有两种版本(1.1版和2.0版),1.1版支持两种传输速率:低速(Low Speed)1.5 Mb/s,高速(FullSpeed)12 Mb/s;2.0版可达480 Mb/s.USB总线控制协议要求在数据发送时含有3个描述数据类型、发送方向和终止标志、USB设备地址的数据包,因此USB可以通过菊花链的形式同时挂接多个USB设备(127个设备,6级)。USB设备在发送数据时支持数据侦错和纠错功能,增强了数据传输的可靠性。同时USB还具有共享性(一个物理设备可以使用多个不同的pipe)、实时性(可以实现和一个设备之间有效的实时通信)、动态性(可以实现接口间的动态切换)、联合性(不同的而又相近的特性的接口可以联合起来)、多能性(各个不同的接口可以使用不同的供电模式)、自动性(缺省的pipe的使用使其系统的建立和配置变得自动并且快速)。作为一种高速总线接口,USB适用于多种设备,比如数码相机、打印机等等,但目前在工业自动化领域的数据采集设备中应用还比较少。笔者介绍一种基于USB接口的水位变送器。

    1　水位变送器的硬件设计

水位变送器采用Intel公司生产的单片机80C31[1]作CPU,主要由信号调理电路、数据保持器、12 b A/D转换、80C31CPU[3]、非易失大容量存储器、时钟电路、看门狗电路和USB接口芯PDIUSB12等构成,并配接感应式数字水位传感器。水位信号由安置在水中的感应式数字水位传感器通过防水电缆连接到变送器,工作时变送器的耗电大于500 mA,于USB的要求(USB外设最大只能从总线下拉100 mA的电流,配置后,可向主机申请需要的电流,最大500 mA),所以设计了独立的电源,水位变送器原理框图如图1所示。 

    由感应式数字水位传感器送来的水位信号经信号调理电路调理成1～5 V的电压后,在8031CPU的控制下经数据保持器送A/D进行模数转换,转换后的数据进行软件滤波、计算、存储、水位越限和传感器断线故障报警等工作。由于讨论单片机系统的文章很多,笔者重点介绍水位变送器的USB接口部分。目前,可购到的USB控制器主要有两种,带USB接口的单片机(MCU)和纯粹的专用USB接口芯片。带USB接口的单片机可分成两类,一类是从底层设计专用于USB控制的单片机,如Cypress公司的CY7C63513,CY7C64013等,由于其单片机性能有限一般不选用;另一类是增加了USB接口的普通单片机,如Intel公司基于8051的8X931、基于高速增强8051的8X930,Cypress公司的基于8051的EZ-USB,这类USB控制器的特点在于通用性强,开发人员对其系统结构和指令集熟悉,开发容易,但开发工具较贵。专用USB接口芯片的特点是价格便宜、可靠性高、接口方便,一般都留有与MCU,DSP的接口,支持多种并行总线结构(复用/非复用),可以与多种单片机接口,搭配灵活,尤其适合产品的改型设计。典型产品有Philips公司的PDIUSB11(I2C接口),PDIUSBD12(并行接口),National Semiconductor公司的USBN9603/9604,NetChip公司的NET2888等。我们选用的是Philips公司生产的PDIUSB12.